背景介紹

量子點（QD）是把激子在三個空間方向上束縛住的半導體納米結構，具有量子限域效應（可調的帶隙和獨特的熒光性能），在光電和生物醫學等領域都具有應用前景。特別是QD具有下轉換的特點，可以吸收短波長的光子，然后再發射長波長的光子。根據這一特性將QD應用到硅基太陽能電池可以實現對高能光子的有效利用和提升電池性能，因為硅基太陽能電池一般具有比較低的紫外光譜響應。但是傳統的QD一般含有有毒重金屬元素（Cd,Pd），并且制備方法較為復雜。而石墨烯量子點（GQD）是一種新型的納米碳材料， 具有無毒，生物相容性好，發射光譜可調和易于溶劑處理的特點。但是在實際應用過程中，GQD容易發生團聚，從而影響它的本征光電特性，比如造成熒光淬滅。在本工作中，將GQD通過氫鍵作用分散于聚乙烯吡咯烷酮（PVP）基體中，從而保留GQD在固態條件下的熒光特性，并加入少量的硝酸彌補PVP的絕緣性。將上述復合薄膜應用于本課題組開發的特色納米光電器件——碳納米管和硅形成的異質結太陽能電池上，實現了對紫外光的有效利用（紫外波段的外量子效率明顯提升）。這種借助于QD的下轉換特點實現對光子進行管理的策略也適用于其他類型的光電器件。

成果簡介

北京大學曹安源教授等制備了由GQD和PVP組成的復合薄膜，作為下轉換層應用于碳納米管/硅異質結太陽能電池。研究發現GQD和PVP之間的氫鍵作用有利于GQD的分散，避免熒光淬滅，從而實現固態熒光性能。得益于GQD的下轉換機制和PVP的減反作用，電池紫外和可見波段的外量子效率（表征太陽能電池對單一波長的光的吸收能力）均有明顯提升。通過系統研究發現，在優化的GQD濃度條件下，復合薄膜的固態熒光性能最強，同時電池在紫外波段實現了12.34%的外量子效率的提升和14.94%的電池效率。我們設計制備的這種下轉換層也適用于其他硅基或硅異質結太陽能電池，用來進一步提升高效率電池的光譜響應范圍和性能。

圖文導讀

圖1.GQD/PVP/HNO3復合薄膜旋涂在碳納米管/硅太陽能電池的結構;GQD的下轉換和PVP薄膜減反機制;GQD和PVP之間的氫鍵作用示意圖。

圖2.復合薄膜光學性能表征。（a）薄膜的紫外-可見吸收光譜；（b）薄膜，GQD粉末和GQD溶液的熒光光譜比較。

圖3.太陽能電池的性能表征。（a）電池的電流-電壓曲線；（b）電池的外量子效率曲線。

作者簡介

曹安源，北京大學教授。主要從事納米科技與應用研究，包括碳納米材料的可控合成、自組裝、電子及光電器件、能源及環境應用等方面。課題組多年來致力于研究基于碳納米管和其它半導體納米材料的新型太陽能電池，提高能量轉換效率并降低制造成本；開發基于碳納米結構的功能復合材料與器件，包括三維多孔碳納米管海綿、柔性碳納米管導電薄膜、高強度柔性纖維等，通過負載改性等方法制備高性能的電極材料應用于能源催化等領域。

Adv. Sci.: 22%效率！穩定的有機鈍化碳納米管-硅太陽能電池

有機鈍化碳納米管（CNT）/硅（Si）太陽能電池是一種新型的低成本、高效率太陽能電池。然而，鈍化有機層的穩定性仍面臨挑戰。河北大學Jianhui Chen和卡爾斯魯厄理工學院Benjamin S. Flavel等人研究了有機層在內部和外部（濕度）含水量方面的穩定性，以及在低濕度環境下的長期穩定性。

研究發現，有機鈍化的CNT/Si復合物界面不穩定，盡管有機鈍化層和CNT本身都是穩定的，這是由于 CNT為水分子提供了通往界面的額外路徑。

通過使用簡單的封裝，實現了創紀錄的22%的功率轉換效率，并展示了穩定的光伏性能。這項工作為未來高性能/低成本光伏的發展提供了新的方向，并將刺激納米管材料在太陽能電池應用中的應用。

 

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