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通过精确控制尺寸、架构及等离子体纳米颗粒的界面定位来调控钙钛矿太阳能电池中的载流子动力学

DOI：10.1039/C9EE03937F 期刊：Energy & Environmental Science 出版年份：2020 更新时间：2025-09-23 15:19:57
摘要： 将等离激元纳米粒子（NPs）与半导体纳米结构紧密接触，可通过局域表面等离激元共振（LSPR）增强光吸收和/或促进载流子传输，从而有效调控半导体的光电特性。本文首次报道了通过在电子传输层（ETL）中嵌入单分散等离激元/介电核壳NPs（其介电壳厚度系统变化而等离激元核直径固定），对钙钛矿太阳能电池（PSCs）的载流子动力学进行深入研究。具体而言，我们首先利用星形嵌段共聚物纳米反应器策略，制备了一组尺寸精确可控（即固定金核直径与可调二氧化硅壳厚度）且构型多样（普通金NPs与等离激元/介电金/二氧化硅核壳NPs）的金NPs。随后将这些单分散NPs夹在两层连续的二氧化钛ETL之间。研究发现存在一个临界二氧化硅壳厚度阈值——当壳厚低于该值时，来自金核的热电子易于注入二氧化钛（即热电子转移，HET），这提升了二氧化钛ETL中的局部电子迁移率，从而改善电荷传输并提高短路电流密度（Jsc）。值得注意的是，HET效应还会抬升二氧化钛的费米能级，进而增强内建电势与开路电压（Voc）。综合结果表明，采用三明治结构TiO2/金NPs/TiO2 ETL构建的PSCs同时实现了Jsc与Voc的显著提升，在平面型和介观结构型PSCs中分别获得了18.81%和19.42%的冠军功率转换效率（PCE）。由此可见，在ETL中合理定位经精心设计的单分散等离激元NPs可有效调控载流子动力学，为开发高性能PSCs提供了独特平台。
作者： Xun Cui，Yihuang Chen，Meng Zhang，Yeu Wei Harn，Jiabin Qi，Likun Gao，Zhong Lin Wang，Jinsong Huang，Yingkui Yang，Zhiqun Lin
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究等离子体纳米粒子对钙钛矿太阳能电池载流子动力学及性能的影响。

研究成果

研究表明，在钙钛矿太阳能电池（PSCs）的电子传输层（ETL）中合理布置单分散等离子体纳米颗粒（NPs），可通过改善电荷传输和提升内建电势显著增强器件性能，从而获得更高的短路电流密度（Jsc）和开路电压（Voc）。优化后的PSCs分别在平面结构和介观结构构型中实现了18.81%和19.42%的冠军功率转换效率（PCE）。

研究不足

该研究仅限于金（Au）和金/二氧化硅（Au/SiO2）纳米颗粒对钙钛矿太阳能电池（PSC）性能的影响，其作用机制主要通过电子特性而非光学效应进行探究。

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