香港科技大学陈德璋&J. E. Halpert团队ACS AEM:表面金属钝化工程助力高效反式AgBiS2纳米晶基太阳电池

文摘   2024-10-21 10:55   北京  

目前,随着国家碳减排政策的不断深入推进,第三代光伏技术(TPVs)越来越受到学术界和工业界的关注。AgBiS2纳米晶基太阳能电池(Nanocrstyal Solar Cells,简称NCSCs),作为新型可溶液制备光伏技术之一,以其优异的材料吸光系数、形貌稳定性和光稳定性等优点,有望同时实现高效、稳定的光伏器件为电子产品供电。然而,AgBiS2纳米晶体内存在的高陷阱态,极大限制了这类光伏技术的性能提升。

鉴于此,香港科技大学陈德璋、Jonathan E. Halpert研究团队开发了一种全新的表面金属钝化策略,通过钠元素在AgBiS2纳米晶体合成中的原位钝化,提高了晶体的纳米尺寸,以减少器件活性层内存在的陷阱态密度,优化后的反式纳米晶基太阳能电池取得了4.6%的冠军功率转换效率(PCE),以及优异的光稳定性。值得注意的是,基于钠掺杂的太阳能电池取得了超过24 mA/cm2的高短路电流密度(JSC),这是迄今为止基于TMAI处理的AgBiS2纳米晶基太阳能电池的最高短路电流。该工作证明了表面金属钝化工程在减少AgBiS2纳米晶体内陷阱态密度的重要性,为后续研究工作提供参考。相关工作以“In-situ Surface Metal Passivation on AgBiS2 Nanocrystals for Trap-Reduced Inverted Solar Cells”的研究性论文发表于《ACS Applied Energy Materials》期刊。本文的第一作者为香港科技大学博士生邹博森为第一作者;共同第一作者为香港科技大学陈德璋博士Memoona Qammar博士。本文的通讯作者为陈德璋博士和Jonathan E. Halpert教授,该工作得到香港科技大学颜河教授课题组的平台支持。

图1. 钠元素钝化AgBiS2晶体表面的过程示意图、XRD图谱、TEM图片及相应的纳米晶尺寸分布
图2. 纯化过程中配体损失的过程示意图、NMR图谱。

图3.膜形貌与载流子迁移率分析。

图4. 器件结构与光伏性能表征。

综上所述,我们开发了一种全新的原位钠元素钝化策略来提升AgBiS2的纳米晶体性能。通过将钠原子结合到纳米晶体的表面,我们实现了与天然油酸配体的强结合,有效地防止了晶体纯化过程中的配体损失和陷阱态的形成。我们的冠军器件取得了令人印象深刻的高短路电流密度(24.3 mA cm-2),超过了之前报道的所有TMAI处理的AgBiS2纳米晶基太阳能电池。总之,本项工作表明,表面金属钝化工程在减少AgBiS2纳米晶体内陷阱态密度方面起到了重要作用,从而提高了光伏器件的性能。
通讯作者简介:

陈德璋博士2018年本科毕业于加州大学尔湾分校化学系(导师:Shane Ardo教授),随后进入香港科技大学化学系攻读研究生,于2023年获得博士学位(导师:Jonathan E. Halpert教授)。毕业后获得香港特别行政区创新科技署-创新科技基金博士后资助项目。陈德璋博士主要研究金属硫族化物和钙钛矿纳米晶体的合成,表面配体设计,和光电器件的制造。以作者身份发表在《Angewandte Chemie》、《Advanced Materials》、《Advanced Science》、《Advanced Functional Materials》、《Advanced Optical Materials》、《ACS Energy Letter》、《Chemistry of Material》、《ACS Applied Materials & Interfaces》等期刊。

Jonathan E. Halpert教授是香港科技大学(HKUST)化学系的副教授。Halpert教授迄今的研究主要集中在合成新型纳米材料,以构建用于光学和电子应用的薄膜器件。他本科于Tufts大学化学系。2008年在麻省理工学院(MIT)获得博士学位,师从2023年诺奖获得者Moungi Bawendi,研究半导体纳米晶体异质结构的设计与合成方法。2010年,他获得访问青年科学家的奖学金,在中国科学院过程工程研究所(IPE)王丹教授的纳米材料组进行博士后研究。随后,他在剑桥大学卡文迪什实验室的光电组担任了两年的博士后研究员(导师: Neil Greenham 教授)。2013年,他开始在惠灵顿维多利亚大学(VUW)担任讲师。2016年,他晋升为SCPS的高级讲师,并在麦克迪亚米德研究所担任首席研究员(2016-2017)。2017年,他将研究团队迁至香港科技大学。2024年获得终身教职。Halpert教授已发表超过90篇论文,总引用次数超过11000次, H因子 38. 拥有10项美国专利。他的研究成果发表在《Journal of the American Chemical Society》、《ACS Nano》、《Nano Letter》、《Nature Photonics》、《Nature Communications》、《Energy & Environmental Science》等著名期刊上。目前,他的研究团队专注于钙钛矿纳米晶体和光电学。

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