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《Small》:通過超快光子燒結(jié)抑制膠體量子點(diǎn)固體中的熱致表面陷阱(IF=13.392)

發(fā)布日期:2024-07-11瀏覽次數(shù):495

背景:

 膠體量子點(diǎn)(CQD)薄膜的熱退火(TA)過程被認(rèn)為是提高膠體量子點(diǎn)太陽能電池(CQD SCs)性能的重要步驟。這是因?yàn)門A對CQD固體有多種有益影響,包括提高電導(dǎo)率、使CQD薄膜排列更加緊密,以及去除殘留的有機(jī)物和溶劑。然而,傳統(tǒng)的CQD熱退火方法需要幾分鐘的時(shí)間,這會(huì)導(dǎo)致CQD表面發(fā)生羥基化和氧化反應(yīng),進(jìn)而形成陷阱狀態(tài),最終降低SCs的性能。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn),本研究引入了一種光子燒結(jié)(FLA)技術(shù),該技術(shù)將退火時(shí)間顯著縮短至毫秒級別。通過光子燒結(jié)方法,研究成功地抑制了羥基化和氧化反應(yīng),減少了CQD固體中的陷阱狀態(tài),同時(shí)保持了其良好的電荷傳輸性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,經(jīng)過光子燒結(jié)處理的CQD SCs在性能上有了顯著提升。與TA處理的設(shè)備相比,其開路電壓(Voc)從0.63V提高到了0.66V,同時(shí)功率轉(zhuǎn)換效率也從12.71%增加到了13.50%。這表明光子燒結(jié)技術(shù)是一種有效且高效的方法,能夠顯著改善CQD SCs的性能。

文獻(xiàn)介紹:

 全球能源需求的快速增長以及對可持續(xù)和可再生能源的需求,推動(dòng)了人們對SCs技術(shù)的廣泛研究。在各種材料中,CQD SCs因其可調(diào)諧的帶隙、高單分散性以及成本效益高的溶液可加工制造特性,成為了有前景的候選材料。特別是硫化鉛(PbS)膠體量子點(diǎn),因其優(yōu)異的光電性能和與紅外太陽光譜的兼容性而備受關(guān)注。表面鈍化、配體交換和器件結(jié)構(gòu)工程等技術(shù)的快速發(fā)展已將CQD SCs的認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)提升至12.47%。

 旨在提高CQD SCs性能的眾多技術(shù)中,對CQD薄膜進(jìn)行熱退火(TA)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高性能電池的關(guān)鍵過程。已知該過程通過減少量子點(diǎn)間的間距、增加CQD的堆積密度以及消除有機(jī)殘留物和揮發(fā)性胺基溶劑,來改善CQD固體的電導(dǎo)率。通常,如先前研究所述,CQD薄膜的TA是在爐子或熱板上進(jìn)行的,溫度設(shè)置在70°C至140°C之間,并且該過程會(huì)持續(xù)幾分鐘。然而,最近的研究表明,長時(shí)間暴露于高溫下會(huì)對CQD薄膜產(chǎn)生副作用,包括吸收減少、配體解吸、CQD融合和表面陷阱的形成。特別是,TA過程會(huì)促進(jìn)CQD表面羥基配體(-OH)和氧化物(PbO、PbSO3和PbSO4)的形成。這些物質(zhì)能夠產(chǎn)生陷阱態(tài),這是導(dǎo)致器件開路電壓(Voc)降低的關(guān)鍵因素。因此,迫切需要尋找替代方法來解決CQD固體中傳統(tǒng)熱退火過程所面臨的挑戰(zhàn)。然而,到目前為止,這方面的研究鮮有報(bào)道。

 鑒于CQD薄膜的傳統(tǒng)TA過程通常持續(xù)幾分鐘,這會(huì)對CQD固體施加過度的熱應(yīng)力,我們提出減少熱處理時(shí)間可以有效緩解相關(guān)缺點(diǎn)。鑒于這些考慮,本研究為CQD薄膜引入了光子燒結(jié)FLA)方法,該方法將所需的退火時(shí)間大幅縮短到僅幾毫秒(ms)。在此過程中,一個(gè)能量密度為3.9Jcm?2的強(qiáng)光脈沖垂直照射到CQD薄膜的表面。CQD薄膜吸收入射光能量,并將其轉(zhuǎn)化為熱能,從而促進(jìn)瞬時(shí)退火。該過程允許在2-6毫秒內(nèi)建立熱平衡狀態(tài),從而對器件造成最小的熱負(fù)荷,從而減輕熱應(yīng)力。通過將傳統(tǒng)的TA過程替換為FLA技術(shù),我們成功地減少了羥基化和氧化,同時(shí)保留了CQD固體的電荷傳輸特性。此外,我們發(fā)現(xiàn)通過FLA方法抑制羥基化和氧化有助于減少陷阱態(tài),從而提CQD SCs的開路電壓(VOC)。因此,使用光子燒結(jié)方法處理的CQD SCs在VOC方面表現(xiàn)出顯著的改善,達(dá)到0.66V,而熱退火設(shè)備的VOC為0.63V。這一增加導(dǎo)致PCE大幅提升,從12.71%提升至13.50%。與熱退火設(shè)備的11.6%相比,光子燒結(jié)處理的器件還表現(xiàn)出12.55%的優(yōu)越穩(wěn)定PCE。

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引用:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202400380


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