11月5日，《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊在线发表了光学与电子信息学院张建兵副教授团队的题为“Cation-Exchange Synthesis of Highly Monodisperse PbS Quantum Dots from ZnS Nanorods for Efficient Infrared Solar Cells”的研究成果。光学与电子信息学院博士研究生夏勇为论文的第一作者，张建兵副教授为论文的通讯作者。
众所周知，阻碍光伏器件性能提升的一个重要因素是低于光伏材料带隙的低能红外光子没有被充分利用。对于硅而言，大于1100 nm的太阳光不能被吸收，而这部分占据太阳光光谱能量的20%；对于带隙更大的钙钛矿而言，不能被利用的太阳光显著增多。因此，若能够充分吸收这些低能红外光子并实现高效转换，将可在现有基础上显著提升对太阳能的利用率。为此，窄带隙红外光伏材料被视为实现低能红外光子利用的关键所在。
当前，III-V族化合物和Ge是窄带隙光伏材料的典型代表。但是这类半导体材料制备工艺复杂、成本较高，极大地限制了其广泛应用。近几年，可溶液工艺制备的PbS量子点越来越被研究者们所关注，这主要是因为PbS量子点具有强烈的量子限制效应，其带隙可在整个近红外区间范围内（0.5~1.9 eV）精确调控。外加，PbS量子点还具有高效的多激子产生效应，能够获得超过100%的外量子效率和极高的光生电流。因此，大尺寸窄带隙PbS量子点被视为理想的红外光伏材料。
然而，当尺寸增加（带隙减小）时，PbS量子点对空气的敏感性显著增加，容易引入新的缺陷态。因此，研究者们通常采用阳离子交换方法来合成具有原位卤素离子钝化的PbS量子点。但是，这种方法合成出的PbS量子点尺寸分布不佳（尤其大尺寸），影响载流子的迁移。为了解决这一问题，张建兵副教授团队首次采用ZnS纳米棒到PbS量子点的阳离子交换方案，其基本思想是依靠由棒到点转变过程中因部分溶解而释放的S来维持一定的过饱和度，促进量子点的生长并且维持较好的尺寸分布。系统改变合成参数，在尺寸分布的均匀性、尺寸可控性、重复性以及宏量制备等方面对阳离子交换合成进行优化。通过捕获反应和生长的中间态，研究了从棒到点的形貌转变过程和机理以及量子点的生长控制机制。其中反应过程中从棒到点不同时间的形貌演变过程如下图透射电子显微镜所示。
ZnS纳米棒到PbS量子点过程中不同时间的形貌演变过程
这种从棒到点的阳离子交换合成出的PbS量子点除了具有极好的尺寸分布外，表面还具有卤素Cl－离子钝化，实现了较好的表面缺陷态控制。基于这种方案合成的高质量大尺寸窄带隙PbS量子点，我们最终获得了效率世界领先的带隙为0.95 eV的PbS量子点红外太阳能电池，其结构和性能参数如下图所示。其中，在AM 1.5下，效率高达10%（世界第一），800nm长通滤光片下的效率为4.2%（世界第一），1100nm长通滤光片下的效率为1.1%。
器件结构和详细器件性能参数
这种窄带隙太阳能电池为进一步显著提升各种常规电池的效率提供了新的思路。例如，可以在现有钙钛矿和硅电池的基础上，显著增加额外的能量转换效率。
红外太阳能电池的重要意义
该工作得到了国家自然科学基金面上和青年项目、湖北省自然科学基金和华为横向项目的支持。该工作还得到了唐江院长等合作者的支持，在此一并表示感谢！
论文信息：
Yong Xia, Sisi Liu, Kang Wang, Xiaokun Yang, Linyuan Lian, Zhiming Zhang, Jungang He, Guijie Liang, Song Wang, Manlin Tan, Haisheng Song, Daoli Zhang, Jianbo Gao, Jiang Tang, Matthew C. Beard, Jianbing Zhang*
Cation-Exchange Synthesis of Highly Monodisperse PbS Quantum Dots from ZnS Nanorods for Efficient Infrared Solar Cells, Adv. Funct. Mater. 2019. DOI:10.1002/adfm.201907379
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201907379
