太阳能电池中的钙钛矿量子点

01 研究背景

金属卤化物钙钛矿作为在光电子领域具有广泛应用的光伏材料而引起了巨大的关注。已被证明具有出色的载流子迁移能力、可调谐直接带隙和低激子结合能。2009年，功率转换效率（PCE）为3.8%的钙钛矿太阳能电池（PSCs）引起了钙钛矿的研究热潮。迄今为止，通过认证的PCE已升至25.5 %，与晶体硅太阳能电池相当。

钙钛矿材料已经取得了巨大的成果，主要涉及由大晶体域组成的多晶钙钛矿薄膜。然而，在恶劣环境下较差的相稳定性以及在大面积基板上的制造仍然是阻碍 PSC大规模的发展的因素。

在这种情况下，钙钛矿量子点 (PQDs)，也称为纳米晶体(NCs)，由于其各种优于块状钙钛矿的性能而变得越来越有吸引力。因此，PQD 与大型柔性器件和串联器件更兼容。总体而言，PQD成为光电领域的首选材料。PQD在光电探测器、激光器和发光器件领域的广泛应用。

02 文章亮点

1.突出 PQD 在太阳能电池中的各种功能，以指导含有 PQD 的光伏器件的发展。

2.展示 PQDSC的蓬勃发展，其中 PQD 用作光吸收剂。根据 PQDSCs 的制备、添加剂工程和混合 PQDSCs，介绍了每个过程的配体交换策略。

3.深入的方式讨论了 PQDSCs 性能不发达的原因。

4.介绍 PQD 在各种太阳能电池中的应用，其中 PQD 还被用作光转换器、界面材料和添加剂以提高太阳能电池的性能。

5.将 PQD 在未来太阳能电池应用中的挑战和前景进行展望。

03 文章概括

钙钛矿量子点 (PQD) 因其独特的特性引起了众多研究人员的关注，已被引入到许多光电子领域，例如发光二极管、激光器、光电探测器和太阳能电池。在此，作者回顾近年来PQDs 应用于太阳能电池的成就。概述了 PQDSCs 的表面配体、添加剂和杂化组合物的工程设计。分析了 PQDSCs 性能不佳的原因。随后，提供了利用 PQD 提高各种太阳能电池的光伏性能的新颖概述。讨论了有关 PQD的一些挑战和展望。

04 图文速读

图1. 庞大晶体域的特性示意图和 PQD 在太阳能电池中的应用。

图2. CsPbI3PQD 的特性和光电器件。a)CsPbI3PQD的归一化紫外-可见吸收光谱和照片。b)PQD紫外照射下的归一化光致发光光谱和照片。c)PQD的X射线衍射 (XRD) 图。d) CsPbI3PQDs的粉末XRD图谱。e)在空气中测量的器件的电流密度-电压 (J-V) 曲线。

图3. a)随着表面处理循环次数的增加FAPbI3PQD 的核磁共振光谱。b)FAPbI3PQD的傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱。c)器件的 J-V 曲线。d)FAPbI3PQD薄膜的XRD图谱。e)基于散装FAPbI3和FAPbI3PQD的设备PCE的演变。f)连续光照下封装器件的 PCE 变化。

图4. a)CsPbI3薄膜中的配体交换示意图。b)纯OAm（黑色）、OA（蓝色）和 CsPbI3PQD薄膜（绿色、琥珀色和红色）的FTIR光谱。c)CsPbI3PQD动态表面稳定和配体去除过程的示意图。d)基于CsPbI3 PQD的器件制造示意图。

图5. a)原始CsPbI3和b)10%-Zn:CsPbI3 PQD的XRD图谱，存储不同天数。c) ZnI2控制的I缺陷态(VI)示意图。d)PLQY值的变化作为相应薄膜的老化天数的函数。e)原始CsPbI3和10%-Zn:CsPbI3PQDSC的瞬态光电压曲线。F)制造器件的J-V曲线。

图6. a)提出的A位阳离子交换反应机理。b)不同环境中阳离子交换的示意图。c) 认证的 J-V 曲线。d)用Cs0.25FA0.75PbI3-体膜、Cs0.25FA0.75PbI3-PQD膜和 Cs0.5FA0.5PbI3-PQD膜制造的未封装太阳能电池的稳定性。  

图7. a)Mn 掺杂和未掺杂CsPbCl3PQD的光致发光和样品在紫外激发下的照片。b)玻璃/FTO、CsPbCl3/玻璃/FTO和CsPbCl3:0.1Mn/玻璃/FTO的发射光谱（由 365 nm 激发）。c)与各种离子共掺杂的CsPbCl1.5Br1.5PQD的吸收（左）和发射光谱（中和右）。d)涂有不同厚度钙钛矿薄膜的最佳SSC的J-V 曲线。

图8. a) 薄膜（原始 MAPbI3 和反溶剂中含有 0.25 wt% PQD 的薄膜）的深度依赖性元素分布。b) 元素在 MAPbI3 薄膜上的均匀分布和 OA 分子在 MAPbI3 薄膜表面自组装的示意图。c) 抗溶剂中含有 0.25 wt% PQD 的冠军器件的 J-V 特性。d) 随着时间的推移，没有 PQD 和 0.25 wt% PQD 的封装器件的 PCE。

05 总结

文章全面总结了 PQD 在光伏器件中的应用。首先从配体工程、添加剂工程和杂化组合工程三个方面总结了PQDSCs的综合进展。配体工程是定制 PQD 特性的主要且强大的策略，使其在实际应用中更具吸引力。这些策略赋予 PQD 薄膜各种性能，包括增强的稳定性、降低的缺陷密度和增强的载流子传输能力，从而为 PQDSC 带来出色的光电性能。从光伏参数和载流子动力学方面分析了 PQDSCs 性能不佳的原因，为研究人员提供了一些优化方向。回顾了PQDs在太阳能电池中的各种功能，包括光转换、界面修饰等。

PQD有望成为光伏领域的“游戏规则改变者”，在大规模制造、低温柔性制造以及半透明或串联光伏器件方面显示出巨大潜力。这些材料的进一步开发和实施可能会产生更有效的太阳能利用技术。当然，为了发挥PQDs的潜力和优势，对科研人员提出了更高的挑战。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202104577

DOI：10.1002/advs.202104577