溶液处理的半导体，包括钙钛矿和量子点（即量子尺寸范围内物质的小颗粒）等材料，是电导率介于绝缘体和大多数金属之间的物质。已经发现这种类型的半导体对于开发性能良好并且具有低制造成本的新光电子器件特别有前景。现在，一些研究强调了通过结合胶体量子点(CQD)、可以捕获红外光子的纳米颗粒和有机发色团（分子中吸收可见光光子并赋予分子颜色的部分）来制造半导体的优点。尽管如此，到目前为止，基于胶体量子点和发色团的混合光伏只实现了低于10%的功率转换效率(PCE)。
这是由于不同组件之间的化学不匹配，以及在实现电荷收集方面的挑战。多伦多大学和韩国KAIST的研究人员开发了一种混合架构，通过将小分子引入胶体量子点/有机堆叠结构中来克服这些限制。所创造的混合太阳能电池，发表在《自然能源》期刊上，取得了显著的功率转换效率，即使在长时间连续运行后仍然保持不变。这项研究的第一个挑战是结合胶体量子点宽光吸收波段和有机分子强(但较窄)吸收系数的优点，以创建一个更高性能的光伏平台。
研究人员从伯克利国家实验室一个研究小组近20年前进行的一项研究中获得了灵感，该研究证明了使用半导体纳米棒和聚合物制造混合太阳能电池的潜力。当伯克利实验室的团队和其他几个人试图将有机分子与胶体量子点结合时，Baek和同事认为这很难实现，因为混合架构实现的器件性能低于典型有机或纯胶体量子点半导体。因此，研究人员着手进一步研究胶体量子点/有机半导体的潜力，试图克服先前开发的架构限制。为了使太阳能电池表现良好，它们应该能够最大限度地吸收光，并有效地将其转化为电流。
新开发的混合太阳能电池有一个小分子桥，它补充了胶体量子点吸收，而胶体量子点吸收又与宿主聚合物产生了一个激子级联，这促使了比在其他混合架构中观察到更有效的能量传递。新开发的结构可以通过额外有机层实现高的光收集效率，该有机层在其背面具有很强的吸收系数，并且在其正面附近有胶体量子点的主要宽带吸收。由此产生的太阳能电池最大优点是，能通过调整胶体量子点的大小，并将其与合适的有机分子结合来对胶体量子点的光响应进行编程。
与其他类型的混合太阳能电池相比，新开发的太阳能电池的独特结构，能在编程它们的功能时有更大的自由度。此外，它还能让太阳能电池在更长连续运行时间内保持良好的效率。以前许多研究都报道了通过胶体量子点和聚合物的组合获得广泛和高吸光度，但由于电荷提取效率低，它们的性能效率较低。通过在胶体量子点/聚合物混合异质结构中引入第三种成分，即小分子桥，研究揭示了一种促进电荷提取和吸收的潜在机制，从而改善了功率转换效率。
未来，这些太阳能电池可用于制造使用量子点和发色团的光伏电池板，但其效率高于先前开发的混合结构效率。到目前为止，研究提出的胶体量子点-有机结构具有高达1100纳米的吸收带。因此，在下一步的研究中，研究人员希望调整结构或开发替代的混合结构，以实现更宽的吸收带。最终，这种结构可以与实际的高带隙钙钛矿太阳能电池相结合，例如，通过将后电池平台设计为串联结构，可以加强对钙钛矿不吸收的近红外波段的吸收。理论上，当将混合结构组合为串联结构的后部电池时，可以让钙钛矿太阳能电池增加15%的效率。
博科园｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli,Tech Xplore
参考期刊《自然能源》
DOI: 10.1038/s41560-019-0492-1
