碘化铅处理的硫化铅量子点太阳能电池中能级饱和与陷阱钝化的解耦

《Journal of Physics and Chemistry of Solids》：Decoupling energy level saturation from trap passivation in PbI 2-treated PbS quantum dot solar cells

　　

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  在硫化铅量子点太阳能电池中，碘化物起着两种可分离的作用
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  表面能级在所研究的最低碘化物浓度下达到饱和
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  碘化物含量停止变化后，开路电压继续上升
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  直接测量的陷阱密度在整个浓度系列中下降
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  效率峰值为 8.45%，随后受限于传输而非复合

引言

铅硫族元素胶体量子点（CQD）结合了尺寸可调的近红外吸收和低成本溶液相加工特性，使其在光伏、光电探测器和叠层太阳能电池应用中具有吸引力 [1], [2], [3]。在 PbS CQD 固体中，光电响应不仅由量子点决定，还由其表面决定。合成后的点状物覆盖有长链绝缘油酸配体，必须将其交换为紧凑型对应物，以实现高效的点间耦合和电荷传输 [4], [5]。卤化物处理，特别是使用 PbI₂ 墨水，已成为一种标准方法，因为碘化物能去除庞大的有机物同时钝化表面铅位点，从而产生空气稳定、导电且器件性能达到最先进水平的薄膜 [6], [7], [8], [9], [10]。

卤化物处理的两个明显后果常被用来解释由此产生的性能提升。首先，配体诱导的表面偶极子使 CQD 薄膜的能级发生偏移，增加了功函数和电离能，从而改变了与电荷传输层的能带对齐 [11], [12], [13]。其次，卤化物钝化配位不足的铅原子和硫族空缺，从而抑制肖克利 - 里德 - 霍尔（陷阱辅助）复合 [14], [15], [16], [17]。这两种机制通常同时发生，因为掺入的卤化物量很少独立变化；这留下了一个问题，即哪种效应限制了器件性能以及它如何随卤化物负载缩放。

因此，我们采用广泛使用的溶液相 PbI₂ 交换 [7], [8], [9], [10] 纯粹作为独立改变卤化物负载的手段。在本研究中，我们通过制造具有递增浓度（0.06, 0.09, 0.12, 0.15, 0.18 和 0.24 M）PbI₂ 墨水的 PbS CQD 太阳能电池，并将碘化物含量、表面能学特性和器件指标关联起来，直接解决了这个问题。我们证明碘化物含量随 PbI₂ 浓度单调增加，而通过紫外光电子能谱（UPS）测量的能级在最低浓度下饱和。相比之下，V_oc 在整个系列中单调增加，并在碘化物含量饱和点之后继续增加，使得每单位掺入碘化物的 V_oc 增益在最后组成增量上比在前一个增量上大近一个数量级。纳入自旋 - 轨道耦合的密度泛函理论（DFT）计算调和了这些观察结果，表明碘化物诱导的功函数偏移在低至中等覆盖率下饱和，而去除{111} 晶面上的铅悬键陷阱需要近乎完全的碘化物终止。因此，碘化物的两种作用，能级对齐和陷阱钝化，在其对碘化物负载的依赖性上是被解耦的，为优化卤化物处理的 CQD 光伏器件提供了清晰的设计规则。

章节摘要

实验细节

PbS CQD 采用热注入法合成，在近红外区域产生第一个激子吸收峰。纯化后，点状物分散形成可加工的墨水。太阳能电池采用 ITO / ZnO / PbS–PbI CQD 吸收层（400 nm）/ 1,2-乙二硫醇 (EDT) 处理的 PbS（两层逐层循环，20 nm）/ Au–Ag 结构制造。PbS–PbI 吸收层通过溶液相配体交换形成，其中原生油酸配体被替换为

量子点表征与碘化物掺入

合成 PbS CQD 的溶液吸收光谱（图 1a）显示出近红外区域中定义明确的第一个激子峰，确认了量子限域和窄尺寸分布。插图中的高分辨率透射电子显微图揭示了孤立的、结晶的量子点，直径为几纳米。PbI₂ 配体交换的成功使用 XPS 表征。I 3d 核心能级峰（图 1b）在原始（油酸封端）薄膜中不存在

结论

通过改变用于 PbS CQD 配体交换的 PbI₂ 浓度，并结合 XPS、UPS、光伏测量以及自旋 - 轨道耦合 DFT，我们表明碘化物起着两种作用，其对于碘化物负载的依赖性是被解耦的。碘化物诱导的表面偶极子加深了功函数和电离能，但在低碘化物负载下建立；因此，UPS 确定的能学特性在整个浓度系列中保持不变。相反，铅

CRediT 作者贡献声明

新东根：写作 – 审查与编辑，监督，调查，形式分析。 宋钟勋：写作 – 审查与编辑，监督，调查，资金获取，形式分析。 金瑟允：写作 – 原始草稿，调查，形式分析，数据整理。 杨在赫：形式分析，数据整理

未引用参考文献

[21], [23], [24]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本论文中报道的工作。

数据可用性

数据将根据要求提供。

写作过程中生成式 AI 及 AI 辅助技术使用声明

作者声明在准备本手稿时未使用任何生成式 AI 或 AI 辅助技术。

利益冲突声明

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致谢

本研究由全罗南道 RISE 中心通过区域创新系统与教育 (RISE) 计划支持，该计划由韩国教育部 (MOE) 和全罗南道资助 (2026-RISE-14-001)，以及由韩国政府贸易、工业和能源部资助的 RS-2022-00144108 和 RS-2025-02315917 资助。图案化 ITO 玻璃衬底使用光刻对准系统 (MDA-600S) 在木浦应用半导体物理系制造

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