阻礙光伏器件性能提升的一個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，PbS量子點(diǎn)對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，實現(xiàn)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)基金面上和青年項目、湖北省自然科學(xué)基金和華為橫向項目的支持。