"Hybrid passivated colloidal quantum dot solids". A. H. Ip, S. M. Thon, S. Hoogland, O. Voznyy, D. Zhitomirsky, R. Debnath, L. Levina, L. R. Rollny, G. H. Carey, A. Fischer, K. W. Kemp, I. J. Kramer, Z. Ning, A. J. Labelle, K. W. Chou, A. Amassian,
E. H. Sargent. NATURE NANOTECHNOLOGY.
In press. DOI: 10.1038/nnano.2012.127
Colloidal quantum dot (CQD) films allow large-area solution processing and bandgap tuning through the quantum size effect.
However, the high ratio of surface area to volume makes CQD films prone
to high trap state densities if surfaces are imperfectly passivated,
promoting recombination of charge carriers that is detrimental to device
performance.
Recent advances have replaced the long insulating ligands that enable
colloidal stability following synthesis with shorter organic linkers or
halide anions,
leading to improved passivation and higher packing densities. Although
this substitution has been performed using solid-state ligand exchange, a
solution-based approach is preferable because it enables increased
control over the balance of charges on the surface of the quantum dot,
which is essential for eliminating midgap trap states. Furthermore, the solution-based approach leverages recent progress in metal:chalcogen chemistry in the liquid phase. Here, we quantify the density of midgap trap states
in CQD solids and show that the performance of CQD-based photovoltaics
is now limited by electron–hole recombination due to these states. Next,
using density functional theory and optoelectronic device modelling, we
show that to improve this performance it is essential to bind a
suitable ligand to each potential trap site on the surface of the
quantum dot. We then develop a robust hybrid passivation scheme that
involves introducing halide anions during the end stages of the
synthesis process, which can passivate trap sites that are inaccessible
to much larger organic ligands. An organic crosslinking strategy is then
used to form the film. Finally, we use our hybrid passivated CQD solid
to fabricate a solar cell with a certified efficiency of 7.0%, which is a record for a CQD photovoltaic device.
Las películas de puntos cuánticos coloidales (CQD) permiten un amplia área para el procesado de soluciones y la sintonización de brechas energéticas a partir de efectos de dimensiones cuánticas. Sin embargo, la alta fracción de área superficial respecto al volumen hace que las pelícuas de CQD tiendan a presentar una alta densidad de trampas si las superficies no están perfectamente pasivadas, promoviendo la recombinación de portadores de carga, lo cual es perjudicial para el desempeño de los dispositivos. Los avances recientes reemplazan los grandes ligantes aislantes que promueven la estabilidad coloidal con enlazantes orgánicos de menor tamaño o con aniones de halogenuros, llevando a una mejora en la pasivación y a un aumento en las densidades. Sin embargo esta substitución se ha llevado a cabo usando un intercambio de ligantes en estado sólido, pero es preferible alguna estrategia basada en soluciones, ya que esto permite incrementar el control sobre el balance de cargas en la superficie de los puntos cuánticos, lo cual es esencial para eliminar las trampas que se encuentran en la brecha energética. Es más, la estrategia basada en soluciones se relaciona con los progresos recientes de la química tipo metal:calcógenos en fase líquida. Aquí se cuantifica la densidad de trampas ubicadas en la brecha energética en el caso de sólidos CQD, y se muestra que el desempeño de los dispositivos fotovoltaicos hechos con CQD actualmente se encuentran limitados por la recombinación electrón-hueco, debido a tales trampas. Además, usando la teoría de funcionales de densidad y realizando modelación de dispositivos optoelectrónicos, se muestra que la mejora en tal desempeño es esencial para enlazar los ligantes apropiados a cada una de las trampas potenciales en la superficie de los puntos cuánticos. Se desarrolla un esquema robusto de pasivación híbrida que involucra la introducción de aniones de halogenuros durante las etapas finales del proceso de síntesis, lo cual puede pasivar trampas que resultan inaccesibles a ligantes orgánicos mucho mayores. Se utiliza una estrategia de enlaces orgánicos cruzados para formar la película. Finalmente, se utiliza el sólido CQD con pasivación híbrida para fabricar una celda solar con una eficiencia certificada del 7.0%, lo cual es un récord para los dispositivos fotovoltaicos CQD.
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