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阻礙光伏器件性能提升的一個(gè)重要因素是低于光伏材料帶隙的低能紅外光子沒有被充分利用，大尺寸窄帶隙PbS量子點(diǎn)被視為理想的紅外光伏材料。然而，當(dāng)尺寸增加(帶隙減小)時(shí)，PbS量子點(diǎn)對(duì)空氣的敏感性顯著增加，容易引入新的缺陷態(tài)。因此，研究者們通常采用陽離子交換方法來合成具有原位鹵素離子鈍化的PbS量子點(diǎn)。但是，這種方法合成出的PbS量子點(diǎn)尺寸分布不佳(尤其大尺寸)，影響載流子的遷移。

為了解決這一問題，張建兵副教授團(tuán)隊(duì)首次采用ZnS納米棒到PbS量子點(diǎn)的陽離子交換方案，其基本思想是依靠由棒到點(diǎn)轉(zhuǎn)變過程中因部分溶解而釋放的S來維持一定的過飽和度，促進(jìn)量子點(diǎn)的生長并且維持較好的尺寸分布。系統(tǒng)改變合成參數(shù)，在尺寸分布的均勻性、尺寸可控性、重復(fù)性以及宏量制備等方面對(duì)陽離子交換合成進(jìn)行優(yōu)化。通過捕獲反應(yīng)和生長的中間態(tài)，研究了從棒到點(diǎn)的形貌轉(zhuǎn)變過程和機(jī)理以及量子點(diǎn)的生長控制機(jī)制。其中反應(yīng)過程中從棒到點(diǎn)不同時(shí)間的形貌演變過程如下圖透射電子顯微鏡所示。這種從棒到點(diǎn)的陽離子交換合成出的PbS量子點(diǎn)除了具有極好的尺寸分布外，表面還具有鹵素Cl-離子鈍化，實(shí)現(xiàn)了較好的表面缺陷態(tài)控制。基于這種方案合成的高質(zhì)量大尺寸窄帶隙PbS量子點(diǎn)，最終獲得了效率世界領(lǐng)先的帶隙為0.95 eV的PbS量子點(diǎn)紅外太陽能電池，其結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)如下圖所示。其中，在AM 1.5下，效率高達(dá)10%(世界第一)，800nm長通濾光片下的效率為4.2%(世界第一)，1100nm長通濾光片下的效率為1.1%。

這種窄帶隙太陽能電池為進(jìn)一步顯著提升各種常規(guī)電池的效率提供了新的思路。例如，可以在現(xiàn)有鈣鈦礦和硅電池的基礎(chǔ)上，顯著增加額外的能量轉(zhuǎn)換效率。

該工作得到了學(xué)院院長唐江等合作者的幫助，并獲得國家自然科學(xué)基金面上和青年項(xiàng)目、湖北省自然科學(xué)基金和華為橫向項(xiàng)目的支持。