我国学者在量子点太阳能电池原位研究方面取得重要进展
日期 2019-09-18  来源:数理科学部  作者:姜向伟 倪培根 陈刚 郭海中

       在国家自然科学基金重大科研仪器研制项目等(批准号:11327901,11525415,51420105003)资助下,东南大学孙立涛教授团队与浙江大学张泽院士、加州大学洛杉矶分校段镶锋教授、澳大利亚昆士兰科技大学孙子其教授和华东师范大学吴幸教授等共同合作,自主发展了一种原位光电-电子显微学技术,并基于此在透射电镜内构建了目前世界上最小尺度的量子点异质结太阳能电池结构。该成果以“In Situ Interface Engineering for Probing the Limit of Quantum Dot Photovoltaic Devices”(借助原位界面工程探究量子点光伏器件的极限性能)为题,于2019年8月发表在Nature Nanotechnology(《自然•纳米技术》)上。文章链接:https://www.nature.com/articles/s41565-019-0526-7。

  能源是满足人类社会基本需求和可持续发展的重要物质保障,因化石能源的不可再生性和全球对温室效应的关注,太阳能的有效利用正成为越来越多国家的首要选择。量子点太阳能电池具有制备成本低廉、带隙可调、理论转换效率高等诸多优点,在太阳能转换领域有着巨大的应用潜力。然而目前光电转换效率仍远远低于理论转换效率。如何在微观尺度下探究效率低的根本原因并为设计高转换效率太阳能电池提供指导?这一问题向现代研究方法提出了理论和技术的挑战。

  针对以上问题,在国家重大科研仪器研制项目等基金项目的资助下,东南大学孙立涛教授与浙江大学张泽院士、加州大学洛杉矶分校段镶锋教授、澳大利亚昆士兰科技大学孙子其教授和华东师范大学吴幸教授等共同合作,自主设计发展了一种可实现高精度原位光电测试的新型原位电子显微学技术。基于该技术,在透射电镜内构建了仅包含单根纳米线、量子点和电极的量子点异质结太阳能电池结构,该结构是目前世界上最小尺度。在光场作用下,它可同时实现材料结构的原子尺度表征和器件中皮安精度光电流的原位测量。通过原位调控光电子可能发生复合的界面大小,将电池的转化效率提高了一倍以上,揭示了界面工程对太阳能电池转化效率提升的重要作用。

  该研究成果有助于更好地理解量子点异质结太阳能电池高转换效率的内在机制,促进高转化效率太阳能电池及相关光电器件的研究与优化设计。同时,也为直接研究纳米尺度的器件提供了最佳实验条件,推动原位器件电子显微学的快速发展。


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图.(a)透射电子显微镜中原位构建量子点异质结太阳能电池结构示意图;(b)单根纳米线/量子点异质结电池的TEM图像;(c)局部原子尺度高分辨TEM像;(d)有光及无光下的光电流响应(pA量级)