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(méi)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，當尺寸增加(帶隙減小)時(shí)，PbS量子點(diǎn)對空氣的敏感性顯著(zhù)增加，容易引入新的缺陷態(tài)。因此，研究者們通常采用陽(yáng)離子交換方法來(lái)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(wèn)題，張建兵副教授團隊首次采用ZnS納米棒到PbS量子點(diǎn)的陽(yáng)離子交換方案，其基本思想是依靠由棒到點(diǎn)轉變過(guò)程中因部分溶解而釋放的S來(lái)維持一定的過(guò)飽和度，促進(jìn)量子點(diǎn)的生長(cháng)并且維持較好的尺寸分布。系統改變合成參數，在尺寸分布的均勻性、尺寸可控性、重復性以及宏量制備等方面對陽(yáng)離子交換合成進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)捕獲反應和生長(cháng)的中間態(tài)，研究了從棒到點(diǎn)的形貌轉變過(guò)程和機理以及量子點(diǎn)的生長(cháng)控制機制。其中反應過(guò)程中從棒到點(diǎn)不同時(shí)間的形貌演變過(guò)程如下圖透射電子顯微鏡所示。這種從棒到點(diǎn)的陽(yáng)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)現了較好的表面缺陷態(tài)控制?；谶@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(yáng)能電池，其結構和性能參數如下圖所示。其中，在A(yíng)M 1.5下，效率高達10%(世界第一)，800nm長(cháng)通濾光片下的效率為4.2%(世界第一)，1100nm長(cháng)通濾光片下的效率為1.1%。

這種窄帶隙太陽(yáng)能電池為進(jìn)一步顯著(zhù)提升各種常規電池的效率提供了新的思路。例如，可以在現有鈣鈦礦和硅電池的基礎上，顯著(zhù)增加額外的能量轉換效率。

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