Solar RRL：纳米晶杂化太阳能电池中氯离子提升电池性能的机理研究

随着全球范围内对能源需求的日益增长，能源危机问题逐渐加剧，寻求低廉的可再生能源已成为一种趋势。太阳光作为一种清洁的可再生能源早已进入人们的视野，因此发展高效、价格低廉的光伏器件成为当下的一个重要科学问题。基于溶液加工的第三代太阳能电池器件为解决这一问题提供了很大的可能性，也成为了当下的研究热潮。聚合物具有柔性、廉价以及易于加工等优势；无机半导体纳米晶具备高的电子迁移率、优异的光和热的稳定性。有机无机杂化太阳能电池巧妙地将二者的优势结合在一起，因此引起了大批研究者的研究兴趣。

基于绿色化学的概念，人们越来越重视利用清洁环保的方法来制备清洁能源。2011年以来，吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室杨柏教授课题组通过设计合成了水溶性的光电材料，在水相操作条件下制备了高效的聚合物/纳米晶杂化太阳能电池器件。制备过程中避免了氯仿、氯苯等高毒性的有机溶剂的使用，从而实现了对环境以及操作人员的保护。通过对器件结构的优化以及制备方法的改进，目前已经获得了5-6%的光电转化效率，相关工作发表在Small, 2017, DOI: 10.1002/smll.201603771 和J. Mater. Chem. A, 2016,4, 11738–11746上。

在之前的研究过程中，研究者发现高质量的纳米晶对于获得高性能的聚合物纳米晶杂化太阳能电池非常关键。作为杂化组分的重要组成部分，CdTe纳米粒子相关的性质还没有被深入研究。之前杨柏教授研究组发现用CdCl2作为镉源来合成CdTe是获得高性能杂化太阳能电池的必要条件。然而氯离子在其中所起的作用却不是很明确。并且，氯离子对CdTe纳米粒子的合成、器件性能以及光生载流子动力学的影响还没有被系统地研究。这也就限制了聚合物纳米晶杂化太阳能电池的进一步发展。

在这个工作中，作者系统地研究了氯离子对CdTe纳米粒子的合成、晶体生长、缺陷钝化、器件性能以及光生载流子动力学的影响，揭示了氯在水相加工的高效杂化太阳能电池中所起的作用。通过实验作者发现：1）在合成过程时，氯离子能够窄化CdTe纳米晶的尺寸分布，并且能够有效地辅助钝化有机配体所不能钝化的表面缺陷位点，抑制非辐射跃迁，从而提升纳米晶的荧光量子产率；2）在新制备的CdTe纳米晶中，氯离子的存在能够很好地促进CdTe纳米粒子在热退火过程中的生长，减少晶界；3）退火后残留在CdTe纳米晶表面的氯离子能够有效地钝化CdTe晶界处的缺陷。以上三点能够有效地减小CdTe纳米晶表面的缺陷态密度，降低缺陷态辅助的载流子复合，提高迁移率，因此提高器件性能。除此之外，这个工作还表明了纳米晶表面缺陷钝化的重要性，作者在实验中发现对于最优氯离子含量的器件仍然存在强烈地缺陷复合，因此将来可以采取更加完善的纳米晶钝化策略来提高器件的性能。这个工作对于理解杂化电池的工作机理以及在将来提出更加完善的器件性能优化策略具有重要意义。

相关论文发表在Wiley新刊Solar RRL（DOI：10.1002/solr.201600020）上。

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