拡散制御合成法を用いた低コストで空気処理可能な量子ドット太陽電池の開発

Low-Cost, Air-Processed Quantum Dot Solar Cells via Diffusion-Controlled Synthesis.

• Emek G Durmusoglu
• Gurpreet Singh Selopal
• Mahyar Mohammadnezhad
• Hui Zhang
• Pinar Dagtepe
• David Barba
• Shuhui Sun
• Haiguang Zhao
• Havva Yagci Acar
• Zhiming Wang
• Federico Rosei

抄録

高効率で安定した量子ドット太陽電池（QD太陽電池）の開発が大きく前進したにもかかわらず、最近の合成法や製造法は、QD太陽電池を商業的に実現可能にするための改良が必要である。ここでは、広く使用されているビス(トリメチルシリル)スルフィド[(TMS)2S]]と比較して、低コストで環境に優しい前駆体[チオアセトアミド(TAA)]を用いて調製した安定で高品質な小型のPbS量子ドットを用いて、環境雰囲気下(湿度の高い空気と室温)で、厳しい条件を必要とせずに低コストで工業的に実行可能な量子ドット太陽電池を作製する方法を説明する。このアプローチでは、反応温度が低く、反応性が中程度であることと、拡散制御された粒子成長が採用されていることから、超小型（発光ピーク700nm）から大型（発光ピーク1050nm）のPbS QDの合成が可能となりました。これはまた、ウェットケミストリールートで製造された利用可能なPbS QDの中で最も低い、1グラムあたり8.11ドル（材料費ベース）のPbSの概算製造コストで、大規模（マルチグラム）合成を十分に制御することができます。周囲条件で3.25 nmのPbS QDs（バンドギャップ1.29 eV）を使用して作製されたQDSCは、AM 1.5G（100 mW/cm2）の太陽光シミュレーション下で7.8％の電力変換効率（PCE）を備えた32.4 mA/cm2の高い回路電流密度（Jsc）（これまでに報告されたJscの最も高い値の1つ）をもたらします。これらのデバイスは、(TMS)2Sを用いて合成した従来のPbS QDを用いて作製したデバイスと比較して、周囲の雰囲気下でより優れた光起電力性能を示しており、我々の方法で作製したPbS QDの品質を確認することができた。本研究で開発した拡散制御されたTAAベースの合成ルートは、太陽光発電やその他のオプトエレクトロニクス用途のサイズ調整可能なPbS QDsの合成に非常に有望であることがわかった。

Despite significant advances in the development of high efficiency and stable quantum dot (QD) solar cells (QDSCs), recent synthetic and fabrication routes still require improvements to render QDSCs commercially feasible. Here, we describe a low-cost, industrially viable fabrication method of QDSCs under ambient atmosphere (humid air and room temperature) using stable, high quality small sized PbS QDs prepared with low-cost, greener precursors [i.e. thioacetamide (TAA)] compared to the widely used bis(trimethylsilyl)sulfide [(TMS)2S], at low temperatures without requiring any stringent condition. The low reaction temperature, medium reactivity of TAA and diffusion-controlled particle growth adopted in this approach defines an opportunity to synthesize ultra-small (emission peak700 nm) to larger PbS QDs (emission peak 1050 nm). This also enables well-controlled large-scale (multigram) synthesis with a rough estimated production cost of PbS of 8.11 $ per gram (based on materials cost), which is the lowest among the available PbS QDs produced by wet chemistry routes. QDSCs fabricated using 3.25 nm PbS QDs (bandgap 1.29 eV) under ambient conditions yield a high circuit current density (Jsc) of 32.4 mA/cm2 (one of the highest values of Jsc ever reported) with a power conversion efficiency (PCE) of 7.8% under one sun simulated sunlight at AM 1.5G (100 mW/cm2). These devices exhibit better photovoltaic performance compared to devices fabricated with more traditional PbS QDs synthesized with (TMS)2S under ambient atmosphere, confirming the quality of PbS QDs produced with our method. The diffusion-controlled TAA-based synthetic route developed herein is found to be very promising for synthesizing size-tunable PbS QDs for photovoltaic and other optoelectronic applications.