Thiol-Free Synthesis of Bright Near-Infrared-Emitting Ag2S Nanocrystals through Heterovalent-Metal Decoration for Ecofriendly Solar Cells

油胺 光致发光 密度泛函理论 纳米晶 材料科学 量子产额 金属 光化学 纳米技术 化学 光电子学 计算化学 量子力学 荧光 物理 冶金
作者
Jieyu Zhang,Jingjing Min,Binghan Li,Wenxing Yang,Zaiping Zeng,Dianyi Liu,Botao Ji
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:35 (3): 1325-1334 被引量:22
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.2c03357
摘要

Environmentally friendly Ag2S nanocrystals (NCs) show potential applications as light-absorbing semiconductors for thin-film photovoltaics or biological taggants. However, thiol ligands are generally involved during the synthesis of Ag2S NCs to maintain colloidal stability, hindering postexchange of these crystal-bound thiolate ligands. Here, using common non-thiol ligands (oleic acid and oleylamine), we develop a general strategy of surface heterovalent-metal (Bi3+, Ga3+, In3+, Sb3+, and Zn2+) decoration to synthesize colloidal cation-rich Ag2S NCs achieving a high photoluminescence quantum yield up to 22% at ∼1230 nm. Density functional theory calculations reveal the heterovalent-metal cations exhibit stronger orbital coupling to the ligands than Ag atoms, and thus stronger binding affinity, resulting in reduced dynamic surface ligands to produce compact cation-rich Ag2S NCs with high solubility in nonpolar solvents. We further show that surface-decorated Bi atoms can accumulate the electron charge density, leading to surface-related band-edge emissions with increased electron–hole separation and prolonged exciton lifetimes of the Bi-decorated Ag2S NCs, which are desirable for many optoelectronic conversion applications. Using a 40 nm-thick light-absorbing layer of Bi-decorated Ag2S NCs, the optimized solar cells show a short-circuit current density of 18.6 mA cm–2 and a power conversion efficiency of over 4%.
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