苏州大学马万里Nature Commun.：室温直接合成半导体PbS纳米晶墨水

【引言】

硫化铅(PbS)纳米晶太阳能电池凭借其光谱响应宽、易于加工以及稳定性高等特点备受瞩目，为太阳能的有效利用提供了一条重要途径。目前 PbS 纳米晶太阳能电池制备中使用的纳米晶材料均是基于经典的热注射法合成，该方法需使用长链的有机配体（油酸）来控制纳米晶的生长，但是长链的有机配体使得纳米晶之间相互绝缘，在制备光电器件过程中需要经过配体交换的步骤，将长链有机配体交换成短配体来增强纳米晶薄膜的导电性。该配体交换步骤异常繁琐，不仅增加了器件制备材料和时间成本，而且可能会对纳米晶表面造成破坏，引入缺陷态，不利于大批量产业化应用。

【成果简介】

近日，苏州大学马万里教授（通讯作者）等人从PbS纳米晶合成源头设计，避免引入长链有机配体，一步直接制备碘化物包裹的PbS纳米晶墨水，获得的纳米晶墨水可以直接用于薄膜制备，完全避免了繁琐的配体交换过程，大幅简化了器件制备工艺。并且，该合成方法可以在室温条件下进行且非常容易进行批量化生产，在实验室条件下可以实现单次反应制备88g纳米晶墨水的产量，该墨水生产成本仅为6 $·g⁻¹，远低于传统方法的制备成本44 $·g⁻¹（国内制备成本）。并且该方法具有一定的普适性，可以推广到CdS和Ag₂S等纳米晶墨水的直接合成。最后团队基于PbS-I纳米晶制备了光电探测器和太阳能电池，光电探测器的探测率高达1.4 × 10¹¹ Jones，太阳能电池的光电转换效率高达10%。这种方法大幅简化了基于纳米晶的光电器件制备工艺，且易于批量化生产，为基于纳米晶的光电器件的未来商业化铺平了道路。相关结果以“Room-temperature direct synthesis of semi-conductive PbS nanocrystal inks for optoelectronic applications”为题发表在国际期刊Nature Communications上。

【图文导读】

图1.PbS-I纳米晶薄膜的不同制备方法

a.传统油酸包裹PbS纳米晶的合成、配体交换以及薄膜沉积示意图

b.PbS-I纳米晶墨水的一步直接合成及薄膜沉积示意图

图2.直接合成PbS-I纳米晶墨水的表征

a,b.不同Pb/S前驱体比例的PbS-I纳米晶的吸收光谱(a)和光致发光光谱(b)

c,d,e.PbS-I纳米晶的TEM图(c, d)和XRD图(e)

图3.XPS和光电性能

a,b,c.PbS-I纳米晶的Pb(a)、I (b)和O(c)的XPS能谱

d.PbS-I纳米晶溶液的瞬态荧光寿命谱

e.PbS-I纳米晶的空间电荷局限电流器件的 J-V曲线

f.基于PbS-I的纳米晶的场效应晶体管的转移特性曲线

图4.基于PbS-I纳米晶的光电探测器

a.光电探测器的结构

b.不同强度的光对应的光电流和灵敏度

c.光电探测器的探测率和灵敏度

d.光电探测器的动态响应

图5.基于PbS-I纳米晶的光伏器件

a.太阳能电池的器件结构

b.太阳能电池中各功能层能级

c.太阳能电池的J-V曲线

d.太阳能电池的空气稳定性

【小结】

总而言之，本文开发了一步直接制备PbS-I纳米晶墨水的方法。这种方法步骤简单、原料便宜且易于批量化生产，制备成本远低于传统方法。并且纳米晶表面钝化良好，表现出于与传统方法相当的光电器件性能：光电探测器的探测率高达1.4 × 10¹¹ Jones，太阳能电池的光电转换效率高达10%。这种方法为基于纳米晶的光电器件的未来商业化铺平了道路。

文献链接：Room-temperature direct synthesis of semi-conductive PbS nanocrystal inks for optoelectronic applications（Nat Commun 10, 5136 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13158-6）

【团队介绍】

课题组负责人马万里：苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)教授，博士生导师。 2006年获美国加州大学圣芭芭拉分校理学博士学位（导师为2000年诺贝尔奖获得者Alan J. Heeger教授），2006-2009年在美国加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室进行博士后研究（合作导师为美国科学院院士、纳米领域先驱A. Paul Alivisatos教授）。2011年入选首批“青年千人计划”，2012年入选首批NSFC “优秀青年基金”。2011年入选江苏省“高层次创新创业人才引进计划”。2012年苏州市紧缺人才，苏州高层次海外领军人才。

从2010年组建团队至今，专注于新型溶液法制程的新型太阳能电池（基于有机聚合物、无机纳米晶、钙钛矿材料）研究。在Nat. Mater., Nat. Commun., Joule, J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Phy. Rev. Lett., Adv. Energy Mater., Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等国际重要刊物上发表论文110余篇，授权发明专利近10项。论文总引用次数超17,000次，单篇论文最高引用超过5,000次。2014-2017年连续三年入选中国高引用学者榜单。担任Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Func. Mater., Nano Lett.,等著名国际期刊的审稿人和仲裁。作为首席科学家主持国家高技术研究发展计划（863计划）；国家重点研发计划项目子课题负责人；主持国家自然科学基金面上项目；主持江苏省自然科学基金面上项目。团队目前共有成员23人，其中包括教授1名，副教授2名，博士后2名，博士研究生4名，硕士研究生14名。

【团队在纳米晶太阳能电池领域的工作汇总】

1. Room-Temperature Direct Synthesis of Semi-Conductive Pbs Nanocrystal Inks for Optoelectronic Applications. Nature Communication, 2019, 10, 5136.
2. Band-Aligned Polymeric Hole Transport Materials for Extremely Low Energy Loss α-CsPbI₃ Perovskite Nanocrystal Solar Cells.” Joule, 2018, 2 (11), 2450-2463.
3. In situ passivation for efficient PbS quantum dot solar cells by precursor engineering. Advanced Materials2018, 30 (16), 1704871.
4. High‐Efficiency PbS Quantum‐Dot Solar Cells with Greatly Simplified Fabrication Processing via “Solvent‐Curing”. Advanced Materials2018, 30 (25), 1707572.
5. High-Efficiency Hybrid Solar Cells Based on Polymer/PbS_xSe_1-x Nanocrystals Benefiting from Vertical Phase Segregation.” Advanced Materials, 2013, 25 (40), 5772-5778.
6. Ligand Mediated Transformation of Cesium Lead Bromide Perovskite Nanocrystals to Lead Depleted Cs₄PbBr₆ Nanocrystals.” Journal of the American Chemical Society, 2017, 139 (15), 5309-5312.
7. 14.1% CsPbI₃ Perovskite Quantum Dot Solar Cells via Cesium Cation Passivation. Advanced Energy Materials, 2019, 9 (28), 1900721.
8. Broadband enhancement of PbS quantum dot solar cells by the synergistic effect of plasmonic gold nanobipyramids and nanospheres. Advanced Energy Materials2018, 8 (8), 1701194.
9. Stable and highly efficient PbS quantum dot tandem solar cells employing a rationally designed recombination layer. Advanced Energy Materials2017, 7 (15), 1-8.
10. Toward Scalable PbS Quantum Dot Solar Cells Using a Tailored Polymeric Hole Conductor. ACS Energy Letters2019, 4, 2850-2858.
11. Finely Interpenetrating Bulk Heterojunction Structure for Lead Sulfide Colloidal Quantum Dot Solar Cells by Convective Assembly. ACS Energy Letters2019, 4 (4), 960-967.
12. Perovskite Quantum Dot Solar Cells with 15.6% Efficiency and Improved Stability Enabled by an α-CsPbI₃/FAPbI₃ Bilayer Structure”. ACS Energy Letters 2019, 4, 2571−2578.

本文由kv1004供稿。