溶液處理的半導(dǎo)體，包括鈣鈦礦和量子點(diǎn)（即量子尺寸范圍內(nèi)物質(zhì)的小顆粒）等材料，是電導(dǎo)率介于絕緣體和大多數(shù)金屬之間的物質(zhì)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種類(lèi)型的半導(dǎo)體對(duì)于開(kāi)發(fā)性能良好并且具有低制造成本的新光電子器件特別有前景。

現(xiàn)在，一些研究強(qiáng)調(diào)了通過(guò)結(jié)合膠體量子點(diǎn)(CQD)、可以捕獲紅外光子的納米顆粒和有機(jī)發(fā)色團(tuán)（分子中吸收可見(jiàn)光光子并賦予分子顏色的部分）來(lái)制造半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)。盡管如此，到目前為止，基于膠體量子點(diǎn)和發(fā)色團(tuán)的混合光伏只實(shí)現(xiàn)了低于10%的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。

這是由于不同組件之間的化學(xué)不匹配，以及在實(shí)現(xiàn)電荷收集方面的挑戰(zhàn)。多倫多大學(xué)和韓國(guó)KAIST的研究人員開(kāi)發(fā)了一種混合架構(gòu)，通過(guò)將小分子引入膠體量子點(diǎn)/有機(jī)堆疊結(jié)構(gòu)中來(lái)克服這些限制。所創(chuàng)造的混合太陽(yáng)能電池，發(fā)表在《自然能源》期刊上，取得了顯著的功率轉(zhuǎn)換效率，即使在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行后仍然保持不變。這項(xiàng)研究的第一個(gè)挑戰(zhàn)是結(jié)合膠體量子點(diǎn)寬光吸收波段和有機(jī)分子強(qiáng)(但較窄)吸收系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，以創(chuàng)建一個(gè)更高性能的光伏平臺(tái)。

研究人員從伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室一個(gè)研究小組近20年前進(jìn)行的一項(xiàng)研究中獲得了靈感，該研究證明了使用半導(dǎo)體納米棒和聚合物制造混合太陽(yáng)能電池的潛力。當(dāng)伯克利實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)和其他幾個(gè)人試圖將有機(jī)分子與膠體量子點(diǎn)結(jié)合時(shí)，Baek和同事認(rèn)為這很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榛旌霞軜?gòu)實(shí)現(xiàn)的器件性能低于典型有機(jī)或純膠體量子點(diǎn)半導(dǎo)體。因此，研究人員著手進(jìn)一步研究膠體量子點(diǎn)/有機(jī)半導(dǎo)體的潛力，試圖克服先前開(kāi)發(fā)的架構(gòu)限制。為了使太陽(yáng)能電池表現(xiàn)良好，它們應(yīng)該能夠最大限度地吸收光，并有效地將其轉(zhuǎn)化為電流。

新開(kāi)發(fā)的混合太陽(yáng)能電池有一個(gè)小分子橋，它補(bǔ)充了膠體量子點(diǎn)吸收，而膠體量子點(diǎn)吸收又與宿主聚合物產(chǎn)生了一個(gè)激子級(jí)聯(lián)，這促使了比在其他混合架構(gòu)中觀察到更有效的能量傳遞。新開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)可以通過(guò)額外有機(jī)層實(shí)現(xiàn)高的光收集效率，該有機(jī)層在其背面具有很強(qiáng)的吸收系數(shù)，并且在其正面附近有膠體量子點(diǎn)的主要寬帶吸收。由此產(chǎn)生的太陽(yáng)能電池最大優(yōu)點(diǎn)是，能通過(guò)調(diào)整膠體量子點(diǎn)的大小，并將其與合適的有機(jī)分子結(jié)合來(lái)對(duì)膠體量子點(diǎn)的光響應(yīng)進(jìn)行編程。

與其他類(lèi)型的混合太陽(yáng)能電池相比，新開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能電池的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，能在編程它們的功能時(shí)有更大的自由度。此外，它還能讓太陽(yáng)能電池在更長(zhǎng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)保持良好的效率。以前許多研究都報(bào)道了通過(guò)膠體量子點(diǎn)和聚合物的組合獲得廣泛和高吸光度，但由于電荷提取效率低，它們的性能效率較低。通過(guò)在膠體量子點(diǎn)/聚合物混合異質(zhì)結(jié)構(gòu)中引入第三種成分，即小分子橋，研究揭示了一種促進(jìn)電荷提取和吸收的潛在機(jī)制，從而改善了功率轉(zhuǎn)換效率。

未來(lái)，這些太陽(yáng)能電池可用于制造使用量子點(diǎn)和發(fā)色團(tuán)的光伏電池板，但其效率高于先前開(kāi)發(fā)的混合結(jié)構(gòu)效率。到目前為止，研究提出的膠體量子點(diǎn)-有機(jī)結(jié)構(gòu)具有高達(dá)1100納米的吸收帶。因此，在下一步的研究中，研究人員希望調(diào)整結(jié)構(gòu)或開(kāi)發(fā)替代的混合結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)更寬的吸收帶。最終，這種結(jié)構(gòu)可以與實(shí)際的高帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池相結(jié)合，例如，通過(guò)將后電池平臺(tái)設(shè)計(jì)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以加強(qiáng)對(duì)鈣鈦礦不吸收的近紅外波段的吸收。理論上，當(dāng)將混合結(jié)構(gòu)組合為串聯(lián)結(jié)構(gòu)的后部電池時(shí)，可以讓鈣鈦礦太陽(yáng)能電池增加15%的效率。

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參考期刊《自然能源》

DOI: 10.1038/s41560-019-0492-1

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