基于9-蒽甲酸缺陷钝化与三重态能量转移协同提升量子点光伏效率的研究

本文创新性地将9-蒽甲酸（ACA）引入氧化锌（ZnO）电子传输层（ETL），通过羧基钝化氧空位缺陷并利用π共轭体系实现三重态能量转移（TET），使PbS胶体量子点（CQD）光伏器件效率从10.48%提升至11.55%。该研究为界面工程提供了缺陷钝化与激子管理的协同策略（VOC提升至0.654 V，JSC达25.83 mA cm?2）。

　　

引言

PbS胶体量子点（CQD）因其宽光谱吸收（紫外至短波红外）和溶液可加工性成为光伏研究热点，但ZnO电子传输层（ETL）的氧空位缺陷限制了器件性能。9-蒽甲酸（ACA）凭借羧基钝化缺陷和蒽基三重态激子生成能力，被设计为双功能界面修饰剂。其三重态能量（1.83 eV）高于PbS CQD带隙（1.37 eV），为能量转移提供理想条件。

结果与讨论

缺陷钝化机制

XPS分析显示ACA处理使ZnO的O 1s谱中氧空位峰从33.6%降至30.1%，FTIR证实羧酸盐（-COO^?）在1563 cm^?1和1411 cm^?1的特征振动增强，表明ACA通过配位键稳定Zn²⁺。SEM显示ACA-0.5样品表面孔洞减少，SCLC测试证实陷阱密度从7.86×10¹⁵ cm^?3降至5.24×10¹⁵ cm^?3。

三重态能量转移验证

瞬态吸收光谱（TAS）在480 nm处观测到ACA处理后载流子寿命从274 ns延长至374 ns，近红外区（950 nm）PbS的基态漂白（GSB）衰减从825.5 ns增至995.3 ns，证实TET过程。IQE在350-700 nm和740-920 nm波段提升，归因于三重态激子注入。

器件性能优化

最优ACA浓度（0.5 mg mL^?1）下，器件V_OC从0.629 V提升至0.654 V，J_SC从25.02增至25.83 mA cm^?2，PCE达11.55%。莫特-肖特基测试显示内置电势（V_bi）从0.56 V增至0.58 V，电化学阻抗谱（EIS）表明电荷转移电阻从82.59 Ω降至57.70 Ω。

实验方法

PbS CQD通过六甲基二硅硫烷热解法合成，ZnO溶胶-凝胶掺入ACA后旋涂成膜。采用溶液相配体交换（SPLE）制备PbS-PbX₂活性层，器件结构为ITO/ZnO:ACA/PbS CQD/EDT-PbS/Au。

结论

该工作通过分子设计将缺陷钝化与激子管理功能集成于单一界面层，为量子点光伏的界面工程提供了新范式。ACA的协同效应使器件效率突破11%，且85°C/85%RH环境下稳定性与对照组相当。