锰/钴共掺杂CuS量子点-PVP复合材料的协同电子传输机制及其在太阳能电池中的应用研究

本研究针对量子点敏化太阳能电池(QDSSC)中界面电荷复合效率低的关键问题，通过共沉淀法制备了PVP包覆的Mn单掺杂及Mn/Co共掺杂CuS量子点。研究发现2%Mn/4%Co共掺杂体系使电池光转换效率提升至1.6756%，XRD与TEM证实量子点尺寸为7-10nm，UV-Vis/PL谱揭示了带隙调控机制，为第三代光伏器件开发提供了新材料策略。

　　

在应对全球能源危机的背景下，量子点敏化太阳能电池(QDSSC)因其可调控的能带结构和多重激子效应被视为第三代光伏技术的突破口。然而，传统量子点材料存在载流子复合严重、光吸收范围有限等瓶颈问题，特别是铜硫化物(CuS)量子点虽然成本低廉但转换效率始终难以突破。这些问题严重制约着QDSSC从实验室走向产业化。

针对这一挑战，研究人员创新性地采用过渡金属掺杂策略，通过共沉淀法成功制备了聚维酮(PVP)包覆的锰(Mn)单掺杂及锰/钴(Mn/Co)共掺杂CuS量子点。研究通过系统调控Mn(1-3wt%)和Mn/Co(1%/2%-2%/4%)的掺杂浓度，发现2%Mn/4%Co共掺杂体系能显著提升电池性能。X射线衍射(XRD)分析显示所有样品均保持CuS的六方晶系结构，Debye-Scherrer公式计算证实量子点尺寸控制在7-10nm范围，与透射电镜(TEM)的粒径分布结果高度吻合。紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)和光致发光谱(PL)揭示了掺杂引起的带隙工程效应，其中共掺杂样品表现出更优的光捕获能力。

在器件构建方面，研究设计了两种创新结构：FTO/TiO₂/CuS:Mn/Na₂S/石墨烯/FTO和FTO/TiO₂/CuS:Mn-Co/Na₂S/石墨烯/FTO。电化学测试表明，Mn/Co共掺杂通过产生高密度点缺陷（包括反位缺陷、间隙原子和空位），有效抑制了载流子复合过程。最终2%Mn/4%Co共掺杂器件实现1.6756%的光电转换效率，较未掺杂体系提升显著。

该研究的关键技术路线包括：1）共沉淀法合成PVP包覆的掺杂量子点；2）XRD结合TEM进行纳米结构表征；3）UV-Vis/PL光谱分析光学特性；4）构建FTO基多层光伏器件进行性能测试。

研究结论部分强调，Mn/Co共掺杂在CuS禁带中引入的缺陷能级可协同优化载流子传输路径，PVP包覆层则有效钝化量子点表面态。这项工作不仅为低成本量子点太阳能电池提供了新材料体系，其提出的"双金属掺杂-聚合物钝化"协同策略对开发高效稳定的光伏器件具有普适性指导意义。论文发表在《Materials Science and Engineering: B》期刊，第一作者G. Vinoth与通讯作者B. Janarthanan的研究团队通过系统的实验设计，证实了过渡金属共掺杂在量子点能带工程中的独特价值，为突破QDSSC效率瓶颈开辟了新思路。