Colloidal Quantum Dot Solids with a Diminished Epitaxial PbI2 Matrix for Efficient Infrared Solar Cells

Mingxu Zhang Qisen Zhou Xinyi Mei Jingxuan Chen Junming Qiu Xiuzhi Li Shuang Li Mubing Yu Chaochao Qin Xiaoliang Zhang

Citation:  Mingxu Zhang, Qisen Zhou, Xinyi Mei, Jingxuan Chen, Junming Qiu, Xiuzhi Li, Shuang Li, Mubing Yu, Chaochao Qin, Xiaoliang Zhang. Colloidal Quantum Dot Solids with a Diminished Epitaxial PbI2 Matrix for Efficient Infrared Solar Cells[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(3): 221000. doi: 10.3866/PKU.WHXB202210002 shu

贫PbI2基体的胶体量子点固体用于高效红外太阳能电池

    通讯作者: 张晓亮, xiaoliang.zhang@buaa.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 51872014

    国家自然科学基金 12074104

    中央高校基本科研业务费专项资金和“111”项目 B17002

摘要: 胶体量子点(CQD)具有优异的红外光吸收能力和光谱可调特性,是用于制备高效太阳能电池最有前途的红外光电材料之一。然而,以醋酸铵(AA)为添加剂的液相配体交换会导致CQD固体中产生宽带隙PbI2基质,其将作为电荷传输势垒,在很大程度上影响了CQD太阳能电池(CQDSC)中载流子的提取,从而影响了光伏性能。本文报道利用二甲基碘化铵(DMAI)调节CQD配体交换过程,使载流子在CQD固体中的传输势垒大幅降低。通过对CQD固体进行全面的表征和理论计算,充分揭示了DMAI和CQD之间的相互作用。结果表明,通过DMAI调节CQD配体交换过程,使CQD固体均匀堆积,提高了载流子输运性能,并且陷阱辅助复合受到显著抑制。因此,CQDSC器件中的载流子提取得到了大幅提高,能量转换效率(PCE)比用AA制备的CQDSC器件提高了17.8%。此工作为调控CQD表面化学特性提供了新的研究思路,并为降低CQD固体中载流子输运的势垒提供了可行的方法。

English

    1. [1]

      Chen, J.; Jia, D.; Johansson, E. M. J.; Hagfeldt, A.; Zhang, X. Energy Environ. Sci. 2021, 14, 224. doi: 10.1039/d0ee02900a

    2. [2]

      Zhang, X.; Hägglund, C.; Johansson, E. M. J. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 1253. doi: 10.1002/adfm.201503338

    3. [3]

      Zheng, S.; Chen, J.; Johansson, E. M. J.; Zhang, X. I. Science 2020, 23, 101753. doi: 10.1016/j.isci.2020.101753

    4. [4]

      Konstantatos, G.; Howard, I.; Fischer, A.; Hoogland, S.; Clifford, J.; Klem, E.; Levina, L.; Sargent, E. H. Nature 2006, 442, 180. doi: 10.1038/nature04855

    5. [5]

      Lee, J. S.; Kovalenko, M. V.; Huang, J.; Chung, D. S.; Talapin, D. V. Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 348. doi: 10.1038/nnano.2011.46

    6. [6]

      Gao, L.; Quan, L. N.; García de Arquer, F. P.; Zhao, Y.; Munir, R.; Proppe, A.; Quintero-Bermudez, R.; Zou, C.; Yang, Z.; Saidaminov, M. I.; et al. Nat. Photonics 2020, 14, 459. doi: 10.1038/s41566-020-0635-8

    7. [7]

      McDonald, S. A.; Konstantatos, G.; Zhang, S. G.; Cyr, P. W.; Klem, E. J. D.; Levina, L.; Sargent, E. H. Nat. Mater. 2005, 4, 138. doi: 10.1038/nmat1299

    8. [8]

      Mei, X.; Jia, D.; Chen, J.; Zheng, S.; Zhang, X. Nano Today 2022, 43, 101449. doi: 10.1016/j.nantod.2022.101449

    9. [9]

      Whitworth, G. L.; Dalmases, M.; Taghipour, N.; Konstantatos, G. Nat. Photonics 2021, 15, 738. doi: 10.1038/s41566-021-00878-9

    10. [10]

      王成, 张弛, 黎瑞锋, 陈琪, 钱磊, 陈立桅. 物理化学学报, 2022, 38, 2104030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202104030Wang, C.; Zhang, C.; Li, R.; Chen, Q.; Qian, L.; Chen, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2104030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202104030

    11. [11]

      Choi, M. J.; Garcia de Arquer, F. P.; Proppe, A. H.; Seifitokaldani, A.; Choi, J.; Kim, J.; Baek, S. W.; Liu, M.; Sun, B.; Biondi, M.; et al. Nat. Commun. 2020, 11, 103. doi: 10.1038/s41467-019-13437-2

    12. [12]

      Jia, D.; Chen, J.; Zheng, S.; Phuyal, D.; Yu, M.; Tian, L.; Liu, J.; Karis, O.; Rensmo, H.; Johansson, E. M. J.; et al. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1902809. doi: 10.1002/aenm.201902809

    13. [13]

      Chen, J.; Zheng, S.; Jia, D.; Liu, W.; Andruszkiewicz, A.; Qin, C.; Yu, M.; Liu, J.; Johansson, E. M. J.; Zhang, X. ACS Energy Lett. 2021, 6, 1970. doi: 10.1021/acsenergylett.1c00475

    14. [14]

      Zhang, X.; Zhang, J.; Phuyal, D.; Du, J.; Tian, L.; Öberg, V. A.; Johansson, M. B.; Cappel, U. B.; Karis, O.; Liu, J.; et al. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702049. doi: 10.1002/aenm.201702049

    15. [15]

      Zhang, X.; Cappel, U. B.; Jia, D.; Zhou, Q.; Du, J.; Sloboda, T.; Svanström, S.; Johansson, F. O. L.; Lindblad, A.; Giangrisostomi, E.; et al. Chem. Mater. 2019, 31, 4081. doi: 10.1021/acs.chemmater.9b00742

    16. [16]

      Zheng, S.; Wang, Y.; Jia, D.; Tian, L.; Chen, J.; Shan, L.; Dong, L.; Zhang, X. Adv. Mater. Interfaces 2021, 8, 2100489. doi: 10.1002/admi.202100489

    17. [17]

      Zhang, X.; Öberg, V. A.; Du, J.; Liu, J.; Johansson, E. M. J. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 354. doi: 10.1039/c7ee02772a

    18. [18]

      Zhang, X.; Zhang, J.; Liu, J.; Johansson, E. M. J. Nanoscale 2015, 7, 11520. doi: 10.1039/c5nr02617b

    19. [19]

      Zhang, X.; Hägglund, C.; Johansson, M. B.; Sveinbjörnsson, K.; Johansson, E. M. J. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 1921. doi: 10.1002/adfm.201504038

    20. [20]

      Chen, J.; Jia, D.; Qiu, J.; Zhuang, R.; Hua, Y.; Zhang, X. Nano Energy 2022, 96, 107140. doi: 10.1016/j.nanoen.2022.107140

    21. [21]

      Jia, D.; Chen, J.; Qiu, J.; Ma, H.; Yu, M.; Liu, J.; Zhang, X. Joule 2022, 6, 1632. doi: 10.1016/j.joule.2022.05.007

    22. [22]

      Semonin, O. E.; Luther, J. M.; Choi, S.; Chen, H. Y.; Gao, J.; Nozik, A. J.; Beard, M. C. Science 2011, 334, 1530. doi: 10.1126/science.1209845

    23. [23]

      Nozik, A. J.; Beard, M. C.; Luther, J. M.; Law, M.; Ellingson, R. J.; Johnson, J. C. Chem. Rev. 2010, 110, 6873. doi: 10.1021/cr900289f

    24. [24]

      韩布兴. 物理化学学报, 2020, 36, 1911025. doi: 10.3866/PKU.WHXB201911025Han, B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1911025. doi: 10.3866/PKU.WHXB201911025

    25. [25]

      Zhang, J.; Gao, J.; Miller, E. M.; Luther, J. M.; Beard, M. C. ACS Nano 2014, 8, 614. doi: 10.1021/nn405236k

    26. [26]

      Yuan, M.; Kemp, K. W.; Thon, S. M.; Kim, J. Y.; Chou, K. W.; Amassian, A.; Sargent, E. H. Adv. Mater. 2014, 26, 3513. doi: 10.1002/adma.201305912

    27. [27]

      Wang, Y.; Lu, K.; Han, L.; Liu, Z.; Shi, G.; Fang, H.; Chen, S.; Wu, T.; Yang, F.; Gu, M.; et al. Adv. Mater. 2018, 30, 1704871. doi: 10.1002/adma.201704871

    28. [28]

      Wang, Y.; Liu, Z.; Huo, N.; Li, F.; Gu, M.; Ling, X.; Zhang, Y.; Lu, K.; Han, L.; Fang, H.; et al. Nat. Commun. 2019, 10, 5136. doi: 10.1038/s41467-019-13158-6

    29. [29]

      Xia, Y.; Liu, S.; Wang, K.; Yang, X.; Lian, L.; Zhang, Z.; He, J.; Liang, G.; Wang, S.; Tan, M.; et al. Adv. Funct. Mater. 2019, 30, 1907379. doi: 10.1002/adfm.201907379

    30. [30]

      Voznyy, O.; Zhitomirsky, D.; Stadler, P.; Ning, Z.; Hoogland, S.; Sargent, E. H. ACS Nano 2012, 6, 8448. doi: 10.1021/nn303364d

    31. [31]

      Choi, H.; Ko, J. H.; Kim, Y. H.; Jeong, S. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 5278. doi: 10.1021/ja400948t

    32. [32]

      Zherebetskyy, D.; Scheele, M.; Zhang, Y.; Bronstein, N.; Thompson, C.; Britt, D.; Salmeron, M.; Alivisatos, P.; Wang, L. W. Science 2014, 344, 1380. doi: 10.1126/science.1252727

    33. [33]

      Chen, W.; Guo, R.; Tang, H.; Wienhold, K. S.; Li, N.; Jiang, Z.; Tang, J.; Jiang, X.; Kreuzer, L. P.; Liu, H.; et al. Energy Environ. Sci. 2021, 14, 3420. doi: 10.1039/d1ee00832c

    34. [34]

      Shi, G.; Wang, H.; Zhang, Y.; Cheng, C.; Zhai, T.; Chen, B.; Liu, X.; Jono, R.; Mao, X.; Liu, Y.; et al. Nat. Commun. 2021, 12, 4381. doi: 10.1038/s41467-021-24614-7

    35. [35]

      Zhang, Z.; Sung, J.; Toolan, D. T. W.; Han, S.; Pandya, R.; Weir, M. P.; Xiao, J.; Dowland, S.; Liu, M.; Ryan, A. J.; et al. Nat. Mater. 2022, 21, 533. doi: 10.1038/s41563-022-01204-6

    36. [36]

      Sánchez-Godoy, H. E.; Erazo, E. A.; Gualdrón-Reyes, A. F.; Khan, A. H.; Agouram, S.; Barea, E. M.; Rodriguez, R. A.; Zarazúa, I.; Ortiz, P.; Cortés, M. T.; et al. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2002422. doi: 10.1002/aenm.202002422

    37. [37]

      Tavakoli, M. M.; Dastjerdi, H. T.; Yadav, P.; Prochowicz, D.; Si, H.; Tavakoli, R. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2010623. doi: 10.1002/adfm.202010623

    38. [38]

      Kim, H. I.; Baek, S. W.; Cheon, H. J.; Ryu, S. U.; Lee, S.; Choi, M. J.; Choi, K.; Biondi, M.; Hoogland, S.; de Arquer, F. P. G.; et al. Adv. Mater. 2020, 32, 2004985. doi: 10.1002/adma.202004985

    39. [39]

      Sun, B.; Johnston, A.; Xu, C.; Wei, M.; Huang, Z.; Jiang, Z.; Zhou, H.; Gao, Y.; Dong, Y.; Ouellette, O.; et al. Joule 2020, 4, 1542. doi: 10.1016/j.joule.2020.05.011

    40. [40]

      Cao, Y. M.; Stavrinadis, A.; Lasanta, T.; So, D.; Konstantatos, G. Nat. Energy 2016, 1, 16035. doi: 10.1038/Nenergy.2016.35

    41. [41]

      Kagan, C. R.; Murray, C. B. Nat. Nanotechnol. 2015, 10, 1013. doi: 10.1038/nnano.2015.247

    42. [42]

      Balazs, D. M.; Dirin, D. N.; Fang, H. H.; Protesescu, L.; ten Brink, G. H.; Kooi, B. J.; Kovalenko, M. V.; Loi, M. A. ACS Nano 2015, 9, 11951. doi: 10.1021/acsnano.5b04547

    43. [43]

      Gilmore, R. H.; Liu, Y.; Shcherbakov-Wu, W.; Dahod, N. S.; Lee, E. M. Y.; Weidman, M. C.; Li, H.; Jean, J.; Bulović, V.; Willard, A. P.; et al. Matter 2019, 1, 250. doi: 10.1016/j.matt.2019.05.015

    44. [44]

      Liu, M.; Voznyy, O.; Sabatini, R.; Garcia de Arquer, F. P.; Munir, R.; Balawi, A. H.; Lan, X.; Fan, F.; Walters, G.; Kirmani, A. R.; et al. Nat. Mater. 2017, 16, 258. doi: 10.1038/nmat4800

    45. [45]

      Jo, J. W.; Kim, Y.; Choi, J.; de Arquer, F. P. G.; Walters, G.; Sun, B.; Ouellette, O.; Kim, J.; Proppe, A. H.; Quintero-Bermudez, R.; et al. Adv. Mater. 2017, 29, 1703627. doi: 10.1002/adma.201703627

    46. [46]

      Zhou, Q.; Qiu, J.; Wang, Y.; Yu, M.; Liu, J.; Zhang, X. ACS Energy Lett. 2021, 6, 1596. doi: 10.1021/acsenergylett.1c00291

    47. [47]

      Polman, A.; Knight, M.; Garnett, E. C.; Ehrler, B.; Sinke, W. C. Science 2016, 352, aad4424. doi: 10.1126/science.aad4424

    48. [48]

      Xu, J.; Voznyy, O.; Liu, M.; Kirmani, A. R.; Walters, G.; Munir, R.; Abdelsamie, M.; Proppe, A. H.; Sarkar, A.; Garcia de Arquer, F. P.; et al. Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 456. doi: 10.1038/s41565-018-0117-z

    49. [49]

      Qiu, J.; Zhou, Q.; Jia, D.; Wang, Y.; Li, S.; Zhang, X. J. Mater. Chem. A 2022, 10, 1821. doi: 10.1039/d1ta09756c

    50. [50]

      Gao, J.; Johnson, J. C. ACS Nano 2012, 6, 3292. doi: 10.1021/nn300707d

    51. [51]

      Kroupa, D. M.; Voros, M.; Brawand, N. P.; McNichols, B. W.; Miller, E. M.; Gu, J.; Nozik, A. J.; Sellinger, A.; Galli, G.; Beard, M. C. Nat. Commun. 2017, 8, 15257. doi: 10.1038/ncomms15257

    52. [52]

      Hu, L.; Lei, Q.; Guan, X.; Patterson, R.; Yuan, J.; Lin, C. H.; Kim, J.; Geng, X.; Younis, A.; Wu, X.; et al. Adv. Sci. 2021, 8, 2003138. doi: 10.1002/advs.202003138

    53. [53]

      Wang, Y.; Mei, X.; Qiu, J.; Zhou, Q.; Jia, D.; Yu, M.; Liu, J.; Zhang, X. J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12, 11330. doi: 10.1021/acs.jpclett.1c03213

    54. [54]

      Li, F.; Liu, Y.; Shi, G. Z.; Chen, W.; Guo, R. J.; Liu, D.; Zhang, Y. H.; Wang, Y. J.; Meng, X.; Zhang, X. L.; et al. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2104457. doi: 10.1002/adfm.202104457

    55. [55]

      Wang, R.; Wu, X.; Xu, K.; Zhou, W.; Shang, Y.; Tang, H.; Chen, H.; Ning, Z. Adv. Mater. 2018, 30, 1704882. doi: 10.1002/adma.201704882

    56. [56]

      Xu, K.; Zhou, W.; Ning, Z. Small 2020, 16, 2003397. doi: 10.1002/smll.202003397

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  14
  • 文章访问数:  1183
  • HTML全文浏览量:  161
文章相关
  • 发布日期:  2023-03-15
  • 收稿日期:  2022-10-05
  • 接受日期:  2022-11-24
  • 修回日期:  2022-11-11
  • 网络出版日期:  2022-12-02
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章