Surface‑Modified Graphene Oxide/Lead Sulfide Hybrid Film‑Forming Ink for High‑Efficiency Bulk Nano‑Heterojunction Colloidal Quantum Dot Solar Cells
Yaohong Zhang, Guohua Wu*, Chao Ding, Feng Liu, Dong Liu, Taizo Masuda, Kenji Yoshino, Shuzi Hayase, Ruixiang Wang*, Qing Shen*
Nano‑Micro Lett.(2020) 12:111
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00448-8
1. 首次将丁胺修饰的氧化石墨烯(BTA@GO)用于PbS胶体量子点(CQDs)油墨中，制备胶体量子点太阳能电池的活性层。
2. BTA@GO提高了CQDs活性层的载流子迁移速率，实现了11.7%的转换效率。
半导体胶体量子点(CQDs)因其随尺寸变化的带隙可调性、易于解决的可制造性和多激子产生效应，在下一代光伏应用中备受关注。胶体量子点太阳能电池(CQDSCs)的光伏性能通过CQDs表面配体修饰、器件结构优化、活性层沉积工程在过去几年得到了显著改善。为了获得稳定的高性能硫化铅基CQDSCs，需要在PbS胶体量子点活性层中有高的载流子迁移率和低的非辐射复合中心密度。
日本电气通信大学沈青教授课题组等首次将丁胺修饰氧化石墨烯(BTA@GO)用于PbS-PbX2 (X = I–，Br–)胶体量子点(CQDs)墨水，采用一步旋转涂覆法沉积制备胶体量子点太阳能电池的活性层，有效提高了PbS胶体量子点层的载流子迁移率。这种表面处理既保持了氧化石墨烯固有的优良的孔转移特性，又降低了氧化石墨烯的亲水性，使其在油墨溶剂中具有良好的分散性能。在CQDs层中引入BTA@GO可以构建块状纳米异质结结构，提供顺畅的载流子传输通道，从而提高载流子迁移率和电导率，延长载流子寿命，降低PbS-PbX2的复合中心密度。最后，基于BTA@GO/PbS-PbX2复合CQDs薄膜的大面积(0.35 cm2) 胶体量子点太阳能电池的功率转换效率为11.7%，比对比装置提高了23.1%。
I BTA@GO/PbS-PbX2混合胶体量子点墨水的制备
为了有效分散氧化石墨烯薄片，首先使用丁胺对氧化石墨烯薄片表面进行化学修饰，得到分散均匀的BTA@GO/PbS胶体量子点墨水。如图1a所示，GO表面含羧基和羟基等官能团，其中羧基很容易与丁胺中的氨基单元反应，生成稳定的BTA@GO溶液。图1c中FTIR光谱可以观察到GO与丁胺之间发生的化学变化。通过样品的TEM图像对比可以看出，与PbS-OA CQD相比，溶液态配体交换后PbS-PbX2 CQD的CQD-CQD距离变窄。
图1. (a)GO的化学结构及BTA@GO形成机理；(b)BTA@GO溶液照片；(c)FTIR光谱；(d-f)PbS-OA胶体量子点，BTA@GO和PbS-PbX2胶体量子点与BTA@GO复合后的TEM照片。
II 光产生载流子BTA@GO/PbS-PbX2混合CQDs薄膜上的迁移
为研究BTA@GO与PbS-PbX2CQDs和PbS-EDT CQDs的能级匹配度，利用PYS法测量PbS-PbX2 CQDs和BTA@GO的最高占据分子轨道(HOMO)位置。用BTA@GO溶液沉积的薄膜呈深棕色，这主要是氧化石墨烯表面官能团变化引起的。经丁胺化学处理后，GO上原有的羧基可以转化为新的酰胺类基团，这红外光谱结果相符。这种变化不仅影响颜色，同时也影响它的HOMO位置。H2O@GO和BTA@GO的HOMO位置值分别为−5.22 eV和−5.19 eV。PbS-PbX2CQDs和PbS-EDT CQDs的HOMO位值分别为−5.49 eV和−5.04 eV。这意味着靠近BTA@GO层的PbS-PbX2 CQDs中的光生空穴倾向于从PbS-PbX2 CQDs注入到BTA@GO中，并最终通过GO层快速传输到PbS-EDT CQDs。而在远离BTA@GO的PbS-PbX2 CQDs层中的光生空穴在层中缓慢扩散最终迁移到PbS-PbX2/PbS-EDT的界面。BTA@GO的光带隙约为1.85 eV，计算出的BTA@GO的LUMO能级为−3.34 eV，远高于PbS-PbX2 CQDs的LUMO位置。这种高能势垒可以抑制光生电子从PbS-PbX2CQDs向BTA@GO注入。在太阳能电池器件内内置电场的驱动下，PbS-PbX2CQDs层中的电子向电子收集层移动。然后，通过使用时间分辨光谱法证实PbS-PbX2和BTA@GO/PbS-PbX2 CQD固体薄膜的光激发载流子转移。
图2. (a)BTA@GO/PbS-PbX2 CQDs薄膜的电荷传输过程示意图；(b)TiO2,PbS-PbX2 CQDs, BTA@GO, PbS-EDT CQDs和Au的能级示意图。
从PbS-OA，PbSPbX2和BTA@GO/PbS-PbX2 CQD薄膜的时间分辨光谱和基态吸收光谱中可以明显地观察到，在PbS-OACQDs的930 nm (1.33 eV)附近，时间分辨光谱漂白峰和基态吸收峰都对应于CQDs中的最低能激子。使用CQD油墨溶液配位体交换后制备的CQD薄膜，由于薄膜中CQD-CQD间距缩小且PbSCQD之间的耦合效应增强导致PbS-PbX2 CQDs和BTA@GO/PbS-PbX2 CQDs的时间分辨光谱漂白峰和基态吸收峰略有红移到970 nm。图3d中，与PbS-OA CQDs进行比较PbS-PbX2 CQDs和BTA@GO薄膜可以观察到明显快速的时间分辨光谱漂白信号衰减，快速的时间分辨光谱漂白信号衰减表明CQD薄膜中发生了载流子迁移。
图3. PbS-OA CQDs膜、PbS-PbX2 CQDs膜和BTA@GO/PbS-PbX2混合CQDs膜的时间分辨衰变比较. (a-c)PbS-OA, PbS-PbX2和BTA@GO/PbS-PbX2 CQD薄膜的时间分辨光谱和基态吸收光谱；(b)PbS-OA, PbS-PbX2和BTA@GO/PbS-PbX2 CQD薄膜的归一化吸收变化。
此外，采用空间电荷限制电流(SCLC)方法对CQDs膜的载流子迁移率和陷阱密度进行了评估。如图4a、b所示，SCLC测量得到典型的暗电流密度-电压(J-V)曲线可分为三个区域:高偏置电压下的Child区(J∝V2)，低偏置电压下的欧姆线性区(J∝V)，以及介于两者之间的非线性陷阱填充区。BTA@GO/PbS-PbX2 CQDs膜的空穴迁移率为0.0030 cm2/V/s相比PbS-PbX2 CQDs薄膜的空穴迁移率0.0023 cm2/V/s提高了约30%。引入BTA@GO可以更有效地提高CQDs膜中的空穴迁移率。由于BTA@GO可以引入额外的电荷传输通道，BTA@GO/PbS-PbX2CQDs薄膜表现出比PbS-PbX2 CQDs薄膜更高的载流子迁移率，与时间分辨光谱测量结果一致。
图4. 基于PbS-PbX2 CQDs薄膜的单孔器件的暗J–V曲线. (a)不含BTA@GO，(b)含BTA@GO；(c)PbS-PbX2 CQDs薄膜和BTA@GO/PbS-PbX2CQDs薄膜的归一化μ-PCD衰减曲线。
III BTA@GO/PbS – PbX2 CQDs薄膜太阳能电池的光伏性能
在BTA@GO/PbS-PbX2 CQDs薄膜中，有效的载流子转移、增强的载流子迁移率和电导率，以及延长的自由载流子寿命，有助于深入了解CQDSCs的光伏性能。如图5a所示，使用BTA@GO/PbS-PbX2CQDs墨水设计制备块体纳米异质结器件FTO/TiO2/BTA@GO@PbS-PbX2/PbS-EDT/Au。图5b为该装置的扫描电镜横截面图。使用BTA@GO/PbS-PbX2 CQDs薄膜装置的PCE为11.7%，JSC、VOC和FF分别为33.9 mA cm−2，0.622 V和55.5%，且器件中没有磁滞现象。与用PbS-PbX2 CQDs薄膜的装置进行了比较，该对比装置PCE为9.5%，BTA@GO/PbS-PbX2CQDs薄膜的JSC、VOC和FF性能参数均增长23%。因此,相比基于PbS-PbX2 CQDs薄膜，BTA@GO/PbS-PbX2 CQDs薄膜具有更快的电荷传输速率、更大的载流子迁移率和更高的载流子提取效率。
图5. (a)基于BTA@GO/PbS-PbX2 CQDs的块体纳米异质结器结构示意图；(b)CQDSCs装置的横截面SEM图像；(c)CQDSCs的J–V曲线；(d)BTA@GO/PbS-PbX2 CQDSCs的IPCE谱图和JSC曲线；(e)不同GO含量的PbS-PbX2 CQDSCs器件PCEs的统计分布；(f)不同CQD墨水浓度的PbS-PbX2 CQDSCs器件PCEs的统计分布。
Prof. Shen Qing
本文通讯作者
日本电气通信大学 情报理工学研究科
金属氧化物衬底和半导体量子点；提升量子点太阳能电池的光电转换效率的原理。
▍Email: shen@pc.uec.ac.jp
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