北航张晓亮EES综述：提升钙钛矿量子点太阳能电池性能的有效方法

【综述背景】

以往对高效率量子点太阳能电池(QDSCs)的研究主要集中在传统硫系胶体量子点，如硫化铅(PbS)、硫化镉(CdS)等。在过去的十年中，PbS-CQDSCs在器件结构设计和器件物理方面取得了重大进展，其效率从2010年的2.9%大幅提升到了13%以上，但其光电能量转换效率仍然较低。钙钛矿量子点(PQDs)作为一类新型的可溶液处理的半导体材料，由于其可调谐的光吸收光谱和高量子产率，在太阳能电池中很有前途。2016年Swarnkar等使用全无机CsPbI₃ PQDs作为太阳能电池的光活性材料，其器件效率达10.77%。同时，由于钙钛矿量子点的负表面能和尺寸诱导晶格应变，CsPbI₃ PQD相比块体 CsPbI₃钙钛矿具有更好的稳定性，在太阳能电池应用中更具有优势。通过表面化学和组分工程的调控，钙钛矿量子点太阳能电池认证效率已增长至16.6%，在制备高性能太阳能电池器件方面展现出了巨大的潜力。

鉴于此，北京航空航天大学张晓亮教授课题组系统的总结了近些年钙钛矿量子点太阳能电池的研究现状，主要从钙钛矿量子点的组分工程、表面化学以及器件结构设计等方面进行全面的概述和讨论。在针对实际应用方面，探讨了钙钛矿量子点太阳能电池的稳定性问题。相关研究成果以“Emerging Perovskite Quantum Dot Solar Cells：Feasible Approaches to Boost Performance”为题，发表在Energy & Environmental Science期刊上，论文第一作者为博士研究生陈婧萱。 

图1. 钙钛矿量子点及钙钛矿量子点太阳能电池的研究趋势及量子点太阳能电池认证效率示意图。

【本文要点】

1. 简述了钙钛矿量子点的晶体结构、光学、电学特性以及钙钛矿量子点的主要合成方法；

2. 根据结构容忍因子，给出了钙钛矿量子点的掺杂原理并系统的总结了钙钛矿晶格中不同位点的掺杂对晶体结构稳定性和器件光电性能的影响;

3. 详细总结分析了钙钛矿量子点的表面钝化及表面后处理过程，探讨量子点的表面状态对钙钛矿量子点太阳能电池器件性能的影响；

4. 从器件结构角度入手，阐述了各功能层及器件结构设计对减少非辐射复合，提升器件性能的影响；

5. 分别探讨了钙钛矿量子点及其太阳能电池器件在湿热条件、储存条件、光照条件下的稳定性问题及可行的解决策略。

【总结及展望】

综上所述，钙钛矿量子点优异的光电子特性使其成为极具希望的太阳能电池候选材料。通过降低器件内的电荷损失及能量损失，在短短几年时间内，器件效率从~10%飙升至17%以上。本文从减少钙钛矿量子点中的非辐射复合、减少器件内部界面复合等方面，总结了提高光伏性能和器件稳定性的方法，系统的综述了近年来钙钛矿量子点太阳能电池的研究进展。尽管钙钛矿量子点太阳能电池效率相较于硫系量子点有所提升，但其距离理论效率极限仍有较大的进步空间，未来可利用液相处理的方法钝化量子点中的缺陷，通过界面调控减少界面复合，以进一步提升器件效率；另外，在面对未来商业化应用发展时，应大力发展无铅材料，并着力于探索制备大面积太阳能电池及柔性、半透明太阳能电池等。 

图2. 基于钙钛矿量子点太阳能电池未来发展的研究展望示意图。