近红外量子点：小粒子，大能量

韩布兴

中国科学院化学研究所，北京 100190

(a)硫化铅(PbS)量子点液相配体交换；(b)硫化铅量子点薄膜；(c)近红外硫化铅量子点太阳能电池电流密度-电压曲线6。

硫化铅量子点具有带隙宽度可调、稳定性高和可溶液加工等特点，受到国内外学者的广泛关注1。通过控制硫化铅量子点的尺寸，其吸收光谱可以覆盖可见光和近红外区域，被广泛应用于红外探测器，发光二极管，场效应晶体管和太阳能电池等光电器件的研究2,3。然而，由于量子点的尺寸小(几个纳米)，导致大部分原子分布于量子点表面，产生大量的表面缺陷态，因此有效控制量子点的表面特性可以减少材料的表面缺陷态，继而提高光电器件的性能。针对近红外太阳能电池的应用，在量子点薄膜的构筑过程中，需有效使用短链分子或卤素离子取代量子点表面的油酸长链配体，减少光致载流子输运的阻碍和缺陷复合4。因此，如何进行有效的配体交换和制备高稳定的量子点墨水是近红外量子点太阳能电池研究中亟待解决的科学问题和重大挑战5。

北京航空航天大学张晓亮教授研究组针对这一问题进行了深入、系统的研究，发现传统的配体交换方法很难有效取代量子点表面的全部油酸配体，继而影响载流子的收集，并且很大程度上影响量子点太阳能电池的稳定性6。研究者通过使用碘化铵(AI)进行液相配体交换(如上图所示)，通过铵离子(NH4+)与碘离子(I-)的相互作用，有效钝化量子点的表面缺陷态，并且将配体交换后的量子点置于中性电荷体系中，大幅提高了量子点墨水的稳定性，量子点墨水在储存～30天后没有发生明显的降解。研究者对量子点薄膜进行了详细的研究，并组装了近红外量子点太阳能电池器件，获得了11.4%的光电能量转换效率，并且器件具有很好的稳定性。最终对量子点在液相条件下的配体交换进行了理论计算，在原子尺度内揭示了配体交换对量子点表面特性的影响，以及对太阳能电池工作过程的影响。

除此之外，北京航空航天大学张晓亮教授研究组还对硫化铅量子点表面特性进行了基础研究，总结出不同的配体交换方法对量子点薄膜和太阳能电池器件工作机制的影响5。通过利用硫化铅量子点吸光能力强和吸收光谱宽的特点，成功制备出超薄近红外太阳能电池器件，器件的厚度小于2 μm，质量为～6.7 g∙m-2，器件光电能量转换效率～10%，并对器件在多次变形条件下的工作状态进行了细致的研究，发现器件在多次变形条件下仍然保持稳定的功率输出，在轻质太阳能飞行器方面具有潜在的应用价值7。由于硫化铅量子点具有很高的消光系数，很薄的量子点薄膜就可以具有很好的吸光能力，研究者充分利用了硫化铅量子点这一特点成功制备出半透明量子点太阳能电池器件，器件可以从紫外、可见光和近红外波段吸收一定的能量，并对器件在长时间光照条件下的稳定性进行了研究，发现在全光谱、长时间光照条件下仍然保持很好的稳定性，这在室内装饰和建筑光伏一体化等方面具有广阔的应用前景8。

上述研究成果近期分别发表在AdvancedEnergy Materials，Energy & Environmental Science，Nano Energy，Chemistry of Materials等期刊。开展量子点表面特性的基础研究，将为高效率量子点太阳能电池的研制提供科学基础，并将促进新型近红外太阳能电池和其它光电器件的发展。