Hybrid CdSe/CsPbI3 quantum dots for interface engineering in perovskite solar cells
Jing Ge, Weixin Li*, Xuan He, Hui Chen, Wei Fang, Xing Du, Yuxuan Li and Lei Zhao*
Sustainable Energy & Fuels 4, Article number: 1837-1843 (2020), DOI: 10.1039/c9se01205b
第一作者：葛静
通讯作者：李薇馨、赵雷
通讯单位：武汉科技大学
研究要点
1, 通过CdSe/CsPbI3混合量子点调控了MAPbI3钙钛矿与Spiro-OMeTAD空穴传输层之间能级结构，加快了空穴的提取速率。
2, 通过CdSe量子点和CsPbI3量子点之间的荧光共振能量转移效应提高了钙钛矿太阳能电池的光利用率。
3, CdSe/CsPbI3混合量子点阻挡了水对钙钛矿薄膜的侵蚀，提高了器件的稳定性。
研究背景
由于其高吸收系数，长的载流子扩散长度，弱的激子结合能和高的载流子迁移率，有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）引起了广泛的关注。并且近年来PSCs的发展及其迅速，功率转换效率（PCE）不断攀升。然而，相邻层和钙钛矿层之间的电荷载流子复合仍然是提高其性能的主要障碍。例如，每一层的能级结构不合理时，会阻碍载流子的传输引起复合，从而使器件的光伏性能受到不利影响。此外，位于晶界（GBs）的缺陷倾向于与空气中的水和氧气结合，从而导致钙钛矿在这些界面和边界上的降解，进而减弱器件的稳定性。
界面工程为设计和优化PSCs的界面提供了一个途径。在各界面之间添加合适的过渡层，可以同时实现对界面处电荷转移过程的控制和对钙钛矿薄膜缺陷的钝化。具有宽吸收光谱和合适能带位置的全无机立方CsPbI3钙钛矿是界面工程有潜力的候选材料，其禁带宽度约为1.73 eV，且其可与有机-无机卤化物钙钛矿相媲美的高电荷载流子迁移率和宽吸收光谱可有效提升PSCs的光电流。而CdSe量子点（QDs）和CsPbI3 QDs之间存在Förster共振能量转移效应。由于直接的能量转移，这种效应可以使整体的光吸收最大化，有效增加对光的利用率。此外，CdSe和CsPbI3之间的能级匹配，也为优化PSCs的能带结构，和调整电荷转移过程提供了可能。
成果简介
2020年5月15日，在Sustainable Energy & Fuels期刊发表了Hybrid CdSe/CsPbI3 quantum dots for interface engineering in perovskite solar cells一文。在该文章中，报道了一种混合量子点修饰钙钛矿太阳能电池的方法，为界面工程提供了新的思路。
图1.器件中的能量转移和电荷转移的示意图
要点1：量子点与钙钛矿层和空穴传输层之间的阶梯型能带结构
对CdSe/CsPbI3 QDs与MAPbI3钙钛矿和Spiro-OMeTAD空穴传输层之间的能带结构进行分析，得出了如图2所示的能带结构示意图。可以看到量子点在MAPbI3钙钛矿和Spiro-OMeTAD空穴传输层之间形成了阶梯型能级结构。这有利加快空穴在钙钛矿层和空穴传输层界面之间提取速率，从而有效降低载流子在界面处的复合几率。并且，由于空穴提取速率的加快，减少了电荷在界面的聚集，使器件的迟滞效应减弱。
图2. CdSe量子点、CsPbI3量子点、MAPbI3和Spiro-MeOTAD的能级结构示意图
CdSe/CsPbI3 QDs
图3.无空穴传输层的设备的J-V测试曲线（c）, 原始器件与添加CdSe/CsPbI3混合QDs的器件的正向扫描和反向扫描J-V测试曲线（d）
要点2：CdSe/CsPbI3 QDs提升了器件的光利用率
CdSe/CsPbI3 QDs之间的FRET效应有效的增加了钙钛矿薄膜的光吸收能力，这使得器件的光电流密度显著提升。此外，量子点还对钙钛矿薄膜的表面晶界有钝化作用，这使载流子的复合阻力增加，从而有效提升了器件的开率电压。最终的器件的光电准换效率从最原始的14%，提升到了17.1%。
图4.原始器件与不同量子点修饰器件的J-V测试曲线（a），IPCE曲线（b）
要点2：CdSe/CsPbI3 QDs提升了器件的稳定性
通常以溶剂法制备的钙钛矿薄膜中含有大量缺陷，并主要以点缺陷的形式存在。这些缺陷对空气中水和氧的亲和力很高，非常容易作为水和氧的接触位点，而导致钙钛矿薄膜的快速分解。CdSe/CsPbI3 QDs修饰钙钛矿薄膜后，有效的阻止了空气中的水向钙钛矿薄膜内部的入侵，从而提升PSCs的稳定性。
图5.空白钙钛矿薄膜和量子点修饰钙钛矿薄膜对水的接触角测试照片，以及测试后的钙钛矿薄膜照片
图4.19原始器件与含有量子点器件的i-t曲线图（a）稳定性测试图（b）
小结
混合QDs与MAPbI3和Spiro-MeOTAO形成了梯度能级结构，这促进电子和空穴在反向流动，分别达到钙钛矿层最低导带位置和空穴传输层之间的最高价带位置，从而实现了快速的电荷转移动力学。同时，CdSe QDs与CsPbI3 QDs之间存在的FRET效应在很大程度上提高了太阳光的利用率，使得PSCs的光电流有显著的增强。以此，增强了PSCs的电荷传输性能，使其光电转换效率显著提升，并减弱了器件的迟滞效应。此外，量子点对水的阻隔作用还极大的提升了器件的稳定性。该工作得到了国家自然科学基金（61604110、51802234），香港学者计划（XJ2019025）和湖北省自然科学基金（2018CFC796）等项目的大力支持。