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刮刀沉积量子点在低损耗大面积发光元件的标准玻璃

窗中的应用

从减少更昂贵的光伏（PV）材料的使用和减少多电池PV模块的复杂性的方向，我们可以考虑使用发光太阳能集中器（LSC）以降低太阳能电力的成本。LSC能够实现一些非常规的太阳能转换装置，例如在高人口城市区域作用明显的PV窗户。在这里，我们试着用胶体核/壳量子点（量子点）制作的低损失，大面积（约90⇥30cm2）LSCs，其光谱是定制的，以最小化波导辐射的自吸收。为了改善与聚合物基质的相容性和增强的稳定性，将QD封装到二氧化硅壳中。使用标准刮涂沉积将QD /聚合物复合材料加工沉积到商业窗玻璃上，制造出的半透明器件对于几十厘米的尺寸显示出大于10％的内部量子效率。

发光太阳能聚光器（LSC）是可以用作光伏（PV）电池的大面积太阳光收集器的光管理器件。LSC由浸渍或涂覆有高发射性荧光团的透明材料板（例如玻璃塑料）组成。在吸收入射到板的较大面积表面上的太阳光后，LSC荧光团以较低能量再发射光子，这些光子被全内反射引导到器件边缘，在那里它们被PV收集。如果LSC的成本远低于相当面积的PV电池的成本，并且LSC的效率足够高，则应用这些设备可以实现太阳能电力的成本的显着降低。半透明LSCs的应用也可以应用于新型设备，如太阳能或PV窗户，可以将当前被动建筑立面转换为电力发电单元。

胶体量子点（QD）已经在利用QD性质的LSC应用的方面有了很多积极的探索，例如广泛可调的吸收和发射光谱，高光稳定性和溶液加工性。这些结构也可以通过使用通过形状控制，异质结构或杂质掺杂实现的“斯托克斯频移工程”的概念，以大大减少导引光的再吸收（自吸收）的损失的方式来定制。演示的方法包括使用核/厚壳“巨型”量子点（g-QDs），锰和铜掺杂QDs，II型异质结构和三元I-III-VI2 QDs。

在大多数报道的情况下，LSC荧光团已经嵌入聚合物，例如通过本体聚合制备的聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）9,16,17或聚（甲基丙烯酸月桂酯）12,18。在这种情况下的常见问题是QD和聚合物材料之间的不良相容性，其经常导致QD钝化的降解，导致光致发光（PL）量子产率（QY）12,17-21的下降。另一个有害的方面是聚合过程中的QD聚集，这导致由于点间激子转移引起的QD发射的额外猝灭22。此外，QD簇的形成增加光散射，导致QD /聚合物板16的外观模糊。最后，即使在新制备的聚合物波导中，由于材料密度的波动而导致的不可避免的折射率波动可能由于散射而导致相当大的损失。

部分缓解上述问题的一种方法是通过用层状结构代替全聚合物LSC波导，其包括在一面或两面上涂覆有聚合物/ QD复合物的高光学质量玻璃的板。由于聚合物基体中的缺陷，在这种结构中的光学散射的损失将与总波导厚度和聚合物层的厚度之间的比成正比地减小。为了实现分层LSC设计，我们利用刮刀沉积技术在大面积玻璃板的顶部上沉积QD /聚合物复合物的薄膜。我们的LSC发射器是二氧化硅涂层的I型CdSe / Cd1x Zn x S g-QD，其中电子和空穴都位于中心CdSe核心内，而特别厚的Cd1xZnxShell以及外部二氧化硅层将它们与环境隔开。这有助于在最终复合材料中保持高PLQY（⇠70％），并产生优异的热稳定性和光稳定性。我们选择聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为基质材料，因为它可以通过功能性吡咯烷酮环上的氮原子与亚硅壳的羟基配位。这改善了QD和聚合物之间的相容性，有助于避免基质内的QD聚集。在使用刮刀技术沉积QD / PVP复合材料的基础上，我们制造大面积器件（高达约90⇥30cm 2），其中由于在波导内的缺陷处的自吸收和散射导致的损失实际上被完全消除。

类型-I巨型量子点厚壳CdSe / CdS g-QD已被证明作为LSC荧光团的优良性能，部分是由于CdSe-核PL 的能量的延迟和起始点限定的大的电感斯托克斯位移在用作光接收器的“巨型”CdS壳中的吸收。通过将壳组成从CdS改变为Cd1x Zn x S S25，可以进一步利用厚壳结构的有益性质。标准CdSe / CdS g-QD表现出准II 型定位体系，其中空穴被核限制，而电子在整个QD体积27-29处离域。在这种情况下，电子波函数可以在壳体表面上采样缺陷，这可能降低PLQY。此外，电子波函数的近似体样特性限制了PL的光谱可调谐性的范围和强吸收的开始。

图1 |厚壳型，ICdSe / Cd1x Zn x S g-QDs.a，CdSe / Cd1x Zn x S g-QDs中x型0.4（由电感耦合等离子体光学任务光谱测定）的I型配位电势的近似结构.CB和VB分别表示导带和价带; Eg = 1.75eV是体相- CdSe带隙。基于体半导体能带边缘能量，核/壳界面处的导带和价带偏移分别为0.33eV和0.60eV。b，A 具有4nm平均直径的CdSe核的TEM图像，核/壳CdSe / Cd1x Zn x S g-QD的TEM图像.Inset：相同QDs.d，吸收（黑色）和PL（红色）的高分辨率TEM图像，CdSe / Cd1x Zn x S g-QDs的光谱。壳层的吸收在λ460nm处，核的PL峰在λ628nm，表明ε720meV的大的有效斯托克斯位移。

类型-I巨型量子点

厚壳CdSe / CdS g-QD作为LSC荧光团表现出优异的性能，部分是由于大的有效的斯托克斯位移由CdSe 核心PL的能量的偏差和在作为光捕获天线的“巨大”CdS壳中的吸收的起始点所限定。可以进一步利用厚壁的壳结构通过改变壳组成从CdS到Cd1x Zn x S25。标准的CdSe / CdS g-QDs表现出准类型II定位制度，其中在孔中是核限制的，而电子在整个QD体积27-29处离域。在这种情况下，电子波函数可以在壳表面采样缺陷，这可能降低PLQY。此外，电子波函数的早期体积样特性限制了PL的光谱可调谐性的范围和强吸收的开始。

使用合金化的Cd1x Zn x S外壳可以帮助消除上述缺陷。具体来说，当合金中具有适当分数的Zn时，导带变得非常大以将电子限制在CdSe核中，这对应于仅CdSe核的结构的I型定位特性的恢复，但是具有一种宽能量势垒，保护电子和空穴免受环境的有害影响（图1a）。此外，使用薄壳，I型异质结构扩展了PL（由芯尺寸控制）的光谱可调范围，和吸收开始（由壳组成控制），因此，允许在控制有效的斯托克斯特移位（1S）中更大的灵活性。

在这项研究中，CdSe / Cd1x Zn x S（x⇡0.4）g-QDs通过连续壳生长合成，如方法详述。透射电子显微镜（TEM）研究表明CdSe核（尺寸分散<10％）的高单分散性，其在本研究中具有4-nm平均直径（图1b）。在壳生长反应结束时，CdSe / Cd0.6Zn0.4Sg-QDs达到了12.0nm（⇠15％尺寸分散体;图1c和补充图1a）的平均直径，表明平均壳厚度为4.0nm 。最终的颗粒具有典型的厚壳结构的不规则形状（图1c）25。根据高分辨率TEM 图像（图1c的插图），它们没有表现出任何明显的缺陷，例如失配位错，这导致相当高的PL QY为〜70％。PL峰值在δ628nm处，并且由于厚的合金壳的吸收的开始在⇠460nm（图1d）。这些值对应于γ720meV的1S，其成功地大到显着降低了自发光的再吸收，是LSC荧光团的关键要求。

硅藻土的包封

在制造时，CdSe / Cd1x Zn x S g-QD是疏水的，并且与用于制造QD /聚合物复合材料的极性溶剂不相容。