用PbSe量子点提高聚合物P3HT:PCBM太阳电池的效率

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胶体量子点(CQDs)因其具有量子尺寸效应和光谱峰位可通过粒径调节等特性引起了人们广泛的关注。硒化铅(PbSe)是一种直接窄禁带(0.28eV)半导体材料,因其对红外波段的光具有较强的吸收、光照时能产生多激子效应,PbSe量子点被广泛应用在红外光电器件中。胶体量子点的制备方法简单、便于操作。而聚合物太阳电池因具有成本低廉、制备方法简单、柔性好等优点而备受瞩目。结合两者优势可以更好地提高太阳电池的效率。到目前为止,大部分胶体量子点太阳电池采用有机配体钝化的半导体纳米颗粒,这在一定程度上降低了载流子迁移率,不利于太阳电池效率的提高。我们合成了表面配体为卤族元素的PbSe量子点,将其混合到有机聚合物中来提高聚合物载流子迁移率;另一方面,我们通过合理控制PbSe量子点的粒径大小,并利用PbSe量子点对近红外光的强吸收,与有机聚合物材料的优势结合起来制备高光电转换效率的太阳电池。经过一系列的实验研究,得到了以下主要结论:(1)采用热合成法,用氧化铅(PbO)为铅源、硒粉为硒源合成了粒径在3.0nm~7.0nm之间的PbSe胶体量子点,其吸收光谱峰位可在1400nm~1600nm之间可调。实验证实,通过控制反应时间可以调控量子点的粒径。(2)选用聚(3-己基噻吩)(P3HT)作为空穴传输材料、PCBM作为电子传输材料、PbSe量子点作为红外光吸收材料,加入PbSe量子点可增强聚合物P3HT:PCBM对近红外光的吸收。掺入量子点之后的器件ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM:PbSe/Al的电池特性优于参考器件ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al。退火处理能有效地提高器件的光电流。(3)探索了退火时间和退火温度对太阳电池的影响。在强度为AM1.5的白光照射下,得到了器件ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM:PbSe/Al的最高效率为3.31%,比参考器件ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al的效率提高了14.5%。(4)通过在合成过程中加入NH4Cl的方法改进PbSe量子点的合成过程,使得Pb2+表面被Cl-包覆起来,避免了Pb2+与空气接触,从而提高了PbSe量子点的稳定性,进而改善了器件的性能及稳定性。
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