仪器表征,科学家研发用于快速印刷制备太阳能电池的导电量子点墨水!
【科学背景】胶体钙钛矿量子点(PeQDs)是一种具有独特性质的材料,因其可调节带隙、多重激子生成以及与薄膜沉积过程解耦的结晶特点,成为了光伏领域的研究热点。然而,PeQD太阳能电池的规模化生产面临着严重挑战,主要是由于其逐层沉积和固态配体交换过程耗时,限制了大面积制造和应用。此外,PeQDs的离子特性使其在极性溶剂中易形成缺陷和发生相变,且表面修饰难以控制,进一步加剧了导电PeQD墨水的制备难度。有鉴于此,苏州大学功能纳米与软物质研究院马万里、袁建宇团队合作开发了一种顺序酰化-配位合成方法,通过在PeQD溶液中添加功能性胺和路易斯碱,成功合成了导电的APbI3 PeQD墨水。这些墨水表现出优异的分散稳定性、较低的陷阱密度和高导电性,并且能够通过一步涂布工艺制备出均匀且强耦合的PeQD薄膜,显著提高了太阳能电池的能量转换效率,为高通量的大面积光伏器件制造提供了新的技术路径。【科学亮点】本文通过多种表征手段深入分析了胶体钙钛矿量子点(PeQD)油墨的性能与结构特征,从而揭示了其在光伏应用中的潜力。首先,研究团队利用动态光散射(DLS)技术评估了PeQD油墨在甲苯中的分散性,结果表明,经过优化的油墨具有良好的分散性,确保了制备过程中量子点的稳定性和均匀性。这一发现为后续的薄膜沉积奠定了基础。针对PeQD薄膜中观察到的缺陷现象,研究团队通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和核磁共振谱(NMR)进一步探讨了油墨的表面化学性质。结果显示,路易斯碱分子(TPP)与Pb2+的相互作用能够有效钝化表面陷阱,抑制非辐射复合,从而提高了薄膜的稳定性和导电性。这一微观机理的解析揭示了表面钝化在改善量子点性能中的重要作用。在此基础上,研究团队还使用透射电子显微镜(TEM)对沉积后的PeQD薄膜进行了形貌观察。TEM图像显示,沉积的薄膜保持了量子点的原始尺寸和形状,且无明显裂纹和孔洞,这表明采用的一步法沉积技术有效改善了薄膜的结构完整性。此外,掠入射广角X射线散射(GIWAXS)结果揭示了薄膜中晶体结构的有序性,垂直优先取向的(100)晶面有利于载流子的有效传输。这些表征结果共同印证了制备过程中的成功。综上所述,经过DFT模拟、动态光散射、傅里叶变换红外光谱、核磁共振谱和透射电子显微镜等多种表征手段,深入分析了PeQD油墨的表面特性和薄膜结构,挖掘了表面钝化与缺陷修复的关键作用。这些研究成果为新材料的制备提供了重要指导,最终推动了量子点太阳能电池效率的提升,为未来的光伏技术进步奠定了基础。通过这一系列表征,本文展示了如何通过优化材料特性和制造工艺来实现高效能的太阳能电池,为工业化应用提供了新的可能性。【科学图文】图1:稳定PeQD油墨的制备及表面化学表征。图2:FAPbI3 PeQD 墨水沉积和薄膜形态。图3: PeQD 薄膜的光电特性和电导率。图4:FAPbI 3 PeQD 太阳能电池的性能。图5:用于高通量大面积薄膜和光伏的 FAPbI3 PeQD 油墨。【科学结论】本文提出了一种创新的合成方法来解决钙钛矿量子点(PeQD)墨水的制备难题。传统的逐层沉积和固态配体交换方法在大面积印刷中存在效率低和过程复杂的问题,这限制了钙钛矿量子点在光伏领域的应用。本文通过引入顺序酰化-配位合成方法(SACP),结合功能性胺和路易斯碱,成功地制备了导电的APbI3(A = Cs、甲胺(MA)或甲脒(FA))PeQD墨水。这一新方法不仅简化了生产流程,还显著提高了PeQD墨水的分散稳定性和导电性,从而使得一步法涂布工艺成为可能。最终,基于这种墨水的FAPbI3 PeQD太阳能电池实现了16.61%的最高效率,并展示了良好的大面积制造兼容性。这一研究不仅突破了钙钛矿量子点在光伏应用中的制备瓶颈,也为其他领域的高效、低成本材料制造提供了新的思路。原文详情:Zhang, X., Huang, H., Zhao, C. et al. Conductive colloidal perovskite quantum dot inks towards fast printing of solar cells. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01608-5