【Nano Res.】EQE从10%飙升到33%！PbS量子点如何靠晶面工程实现3倍光电提升？

胶体量子点(CQDs)薄膜的载流子传输行为，强烈受到量子点间界面耦合强度的影响。

目前，传统合成方法制备的硫化铅(PbS)量子点晶面取向通常较为随机，这种随机性限制了薄膜内部的电性耦合，导致光电器件的载流子迁移率面临瓶颈。

此外，在极性溶剂中进行液相配体交换时，传统采用的卤化铅与乙酸铵混合配体策略，对于含有高比例(100)晶面的量子点往往钝化不足。

由于(100)晶面上的油酸配体极易脱落，未被钝化的表面会导致量子点聚集，严重影响光电转换性能。

为解决此瓶颈，西安工业大学邓丽儿教授与刘欢教授团队将相关研究成果发表于2025年《Nano Research》期刊。该团队针对合成后的PbS CQDs采用液相原子层沉积(LP-ALD)技术进行二次生长。

该方法使量子点沿着(111)方向快速生长，从而大幅增加(100)晶面的表面积比例。

(100)晶面，团队采用包含溴化铅、碘化铅与无水乙酸钠的混合配体执行目标晶面钝化。

根据密度泛函理论(DFT)计算，随着Na-Br原子对在PbS(100)表面的覆盖率增加，系统表面能持续下降，当覆盖率达100%时，表面能降至48.3 meV，证实Na-Br原子对能有效稳定并钝化(100)表面。

这种结合"精确晶面钝化"与"(100)晶面强耦合"的机制，显著改善了载流子传输，使处理后薄膜的电洞迁移率增加6倍，器件的外部量子效率(EQE)达到未处理标准器件的3倍。

在探讨量子点光探测器的性能时，严谨的J-V曲线与EQE表征是判断缺陷分布与非辐射复合损耗的核心依据。该团队构建了ITO/NiO/PbS-EDT/PbS CQDs/PEIE/ZnO/Al光电器件结构进行检测。

首先，为精确提取载流子迁移率与陷阱态密度(Nt)，研究团队采用空间电荷限制电流(SCLC)模型，在0至5 V的电压范围内进行暗态J-V扫描。如图6(c)至6(f)所示，J-V曲线可明确划分为欧姆区、陷阱填充极限(TFL)区以及SCLC区。当电压进入TFL区时，注入载流子开始填补半导体缺陷，电流密度呈现非线性增加。

根据Mott-Gurney定律计算，经过LP-ALD处理后的PbS CQDs薄膜，其电洞迁移率由原先的1.425×10⁻⁴ cm²/Vs增加至8.991×10⁻⁴ cm²/Vs；同时，缺陷态密度从5.6×10¹⁵ cm⁻³显著降至2.4×10¹⁵ cm⁻³。

缺陷态密度的降低直接反映在器件开路电压(Voc)损耗的控制潜力上，表明漏电流路径与陷阱辅助的复合行为得到抑制。

在光电探测器的I-V特性分析上，扫描区间设定于-0.7 V至0.7 V。图9(b)的I-V曲线显示，经过沉积处理后，由于(100)晶面比例增加强化了量子点间的耦合强度，器件的暗电流明显下降，光电流大幅增加。

为进一步确认复合途径，研究在980 nm光源照射下，测试了光电流对光强(30至150 mW/cm²)的依赖关系。

图10(a)与图10(b)的数据显示，光电流与光强呈现高度线性正相关。这种高度线性关系表明器件内部的双分子复合损失极小，光生载流子的提取效率远大于非辐射复合率，确保了高光强下的稳态载流子收集能力。

外部量子效率(EQE)的测量进一步验证了载流子传输与光学吸收的改善。在0 V偏压下进行光谱扫描，图9(c)与图9(e)清楚显示经过4次LP-ALD循环处理的器件，在第一激子吸收峰处的EQE高达33%，为未处理标准器件(10%)的3倍。

EQE光谱的响应扩展与增强，物理意义在于(100)晶面强耦合引发了量子点能轨域的混成，导致能带变宽与能隙缩小，进而涵盖更宽广的吸收光谱。搭配图9(f)的数据，该器件在0.15 cm²的有效感光面积下，其归一化探测率达到6.12×10¹¹ Jones，比标准器件高出一个数量级。

为从微观机制解析Voc损失与缺陷辅助复合的关联，团队辅以荧光光谱(PL)进行深度检验。

图7(b)的稳态荧光光谱指出，经过LP-ALD与目标晶面钝化处理后，量子点的斯托克斯位移(Stokes shift)从74 nm缩小至57 nm。斯托克斯位移的缩小代表能隙内部与缺陷相关的发光减少，说明表面陷阱态密度大幅下降。

光致发光量子产率(PLQY)也由13%增加至17%。更具决定性的证据来自图8的瞬态荧光光谱(TRPL)，双指数拟合结果显示载流子生命周期从0.44 μs延长为0.76 μs。

较长的载流子寿命证实了混合配体能更完整地钝化(100)表面，减少带隙内的陷阱态，成功抑制非辐射复合损耗，为高电流与低暗电流的宏观器件表现提供了微观物理基础。

此研究所呈现的高精度J-V曲线与EQE数据，需要标准化测量设备的稳定性与校准精度的支撑。

在评估薄膜载流子迁移率、暗电流漏电分析以及器件的整体光电响应时，研究团队在J-V曲线测量(图6)中，采用了太阳光模擬器测试系统，该系统具备优良的光谱匹配度与稳定的光源输出，确保了在执行空间电荷限制电流(SCLC)测量时，能在0到5 V之间精确捕捉微安培甚至纳安培等级的暗电流变化，从而计算出准确的陷阱填充极限电压与8.991×10⁻⁴ cm²/Vs的电洞迁移率。

针对宽频光探测器至关重要的光谱响应评估，团队采用了量子效率测试系统来获取EQE光谱。

该系统能提供高信噪比的单色光，并精确校准入射光子数，使团队得以在0 V偏压下，准确测量出波长0.35至1.65 µm范围内的电荷收集率(图9(c))。

凭借该系统的高分辨率检测，此研究得以确认4次LP-ALD循环处理后，第一激子吸收峰处的EQE达到33%这一关键数据，为(100)晶面强耦合带来的光学与电学改善，提供了有力的数据支撑。

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该团队通过LP-ALD对PbS CQDs进行室温二次生长，成功在纳米尺度下精准控制晶面，增加(100)晶面的表面积以强化量子点耦合。

同时，搭配PbX₂与无水乙酸钠的目标晶面钝化策略，有效稳定(100)表面，大幅减少了缺陷态密度并延长了载流子寿命。

在器件性能上，LP-ALD处理使电洞迁移率增加6倍，0 V偏压下EQE达到33%，响应度达0.4 A/W，展现了0.1 ms的快速上升时间与0.08 ms的下降时间，具备优异的宽频光探测能力。

从J-V与EQE的表征角度看，此研究的核心集中于验证光吸收层本身在处理前后的材料与光电特性变化。

研究尚未针对各功能层界面(如PbS与ZnO或NiO之间)的能带匹配进行全面优化，也未详细探讨界面配体钝化的最终极限。

后续研究若能针对这些异质界面引入能带工程与串联电阻优化，预期将能进一步降低界面复合损失与暗电流，在高效光电探测器或太阳能电池领域中，实现更优越的光电转换性能。