科苑探骊 | 东北师范大学宽谱响应型量子点光伏器件研究取得新进展

面向能源的光电转换材料与器件研究是解决全球能源危机和环境污染难题的重要手段，更是落实十九大关于“美丽中国”部署的战略途径之一。面向国家解决能源问题的重大战略需求，国家自然科学基金委员会于2012年启动的“面向能源的光电转换材料”重大研究计划，旨在揭示高效光-电/电-光转换的机理，突破现有原理和技术局限，为光电转换材料和器件在可再生能源的开发和能源高效利用方面提供新思路和技术支撑。

东北师范大学紫外光发射教育部重点实验室刘益春教授和张昕彤教授团队在该领域深耕十余年，连续获批国家自然基金“面向能源的光电转换材料”重大研究计划重点支持项目、国家重点基础研究发展计划（973计划）项目、吉林省双十攻关项目、教育部科学技术研究重点项目、国家自然科学基金面上项目等各类课题十几项，建设了一支中、青年结合的、多学科交叉的研究队伍，在新型微纳结构光电转换材料与器件的可控制备、表界面调控和载流子相关过程优化等研究方面取得了多项重要进展，主持的国家自然科学基金重大研究计划重点课题“基于氧化物纳米线三维异质结太阳能电池的基本问题研究”获优秀结题。

2019年，刘益春教授与张昕彤教授团队进一步成功获批“面向能源的光电转换材料”重大研究计划集成项目“高效光电转换无机半导体微纳材料与器件的关键科学问题研究”资助。该集成项目集合了苏州大学、浙江大学、中山大学、东北师范大学和华东师范大学的国内代表性研究团队，针对无机半导体微纳结构光电转换材料的高效、可控制备及性能调控开展研究，利用一维半导体微纳阵列强的陷光效应、径向p/n结中的高效载流子分离和输运、以及零维半导体量子点高发光色纯度和荧光量子效率等优势，发展稳定、高效的光伏及发光器件。项目直接经费1700万元，东北师范大学承担了高效量子点光伏材料与器件子课题的研究任务。

在集成项目执行两年的时间里，刘益春教授和张昕彤教授团队重点围绕宽谱响应型PbS量子点太阳能电池展开研究工作，在三维体异质结量子点太阳能电池的界面工程、高质量量子点墨水制备、外压诱导增强量子点间耦合效应等方面取得了多项突破。近日，该团队与日本东京大学H.Segawa教授合作，通过PbS量子点表面配体工程，构建n/p量子结型太阳能电池，获得了10.5%的光电转换效率。这是迄今为止量子结型PbS太阳能电池报道的最高效率。该量子结太阳能电池结构摒弃了传统的宽带隙金属氧化物电子传输层，从而有效提高PbS吸光层的紫外光利用率；其次，量子结构有效优化了量子点太阳能电池的界面能带排列，促进光生载流子的传输与收集。同时，该量子结器件显现了极好的稳定性，在连续光照11小时后仍维持初始效率的95%，并在干燥空气氛围下实现了＞4000小时的稳定性。这一突破预示着量子点太阳能电池能够实现覆盖紫外-可见-近红外光谱的宽谱带光电转换，且能够用更简单的工艺制备出高效率、高稳定性的量子点太阳能电池。

在重大研究计划集成项目支持下，该团队已在ACS Energy Letters、Advanced Science、Applied Physics Letters等学术期刊发表SCI检索论文20余篇，申请/授权专利10余项，三名研究生获校优秀毕业论文，研究成果多次受到“ScienceDaily”、“研之成理”、“知光谷”等学术媒体和微信公众号重点关注。