量子点助力钙钛矿太阳能电池性能提升相互作用机制进展与未来展望

主要内容：

钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为极具潜力的光伏技术，因其高效率与显著的成本效益制造工艺而备受瞩目。然而，其商业化进程仍受到稳定性、载流子动力学特性及缺陷钝化等挑战的限制。近期，量子点（QDs）作为多功能材料，通过多种机制提升PSC性能，已成为研究焦点。

吉林大学材料科学系（材料物理与化学专业）的张伟教授带领其团队深入探讨了量子点与钙钛矿的相互作用机制，及其对结晶过程、缺陷钝化、光子管理、能级对齐和器件稳定性的影响。量子点通过调控钙钛矿晶体生长，减少晶界数量，改善薄膜的结晶度，并有效钝化缺陷、调节能级，从而抑制非辐射复合，增强电荷提取效率。同时，量子点层还能优化光吸收特性，并提供环境封装保护，延长器件的使用寿命。尽管量子点优化的PSC展现出巨大前景，但要实现更大的性能突破，仍需在新材料设计与协同集成策略上进行创新。

目前，单计PSC的光电转换效率已超过26.7%，但效率和稳定性仍是其商业化的主要障碍。陷阱态导致的光学损失和非辐射复合限制了效率的提升，而钙钛矿材料因低形成能易于形成缺陷，进一步降低了器件性能。此外，环境降解导致的不稳定性也缩短了器件的使用寿命。尽管已引入小分子、聚合物和纳米粒子等添加剂来改善这些问题，但量子点因其可调电子特性、高稳定性、高迁移率及多功能性，在提升PSC效率和稳定性方面展现出独特优势。

量子点的量子限域效应和较大的比表面积赋予其在宽吸收范围内吸收和发射光的能力，有助于能量向钙钛矿层的转移。与小分子或聚合物相比，量子点具有更好的热稳定性和更高的载流子迁移率，这对优化器件性能至关重要。量子点与钙钛矿的化学相互作用影响结晶过程和缺陷钝化效果，抑制陷阱诱导的非辐射复合；而物理相互作用则促进能量和电荷的转移，提高光伏效率。同时，量子点层还能保护钙钛矿免受湿气和氧气的影响，增强器件的长期稳定性。

本文不仅综述分析了量子点与钙钛矿薄膜的相互作用机制，还展望了量子点集成PSC的未来发展，并总结了关键器件参数和性能指标。未来研究应聚焦于探索不同类型量子点的协同效应，以进一步优化PSC性能；同时，研究量子点增强PSC在真实环境下的长期稳定性也至关重要。此外，开发成本效益高、可扩展的量子点合成及集成技术，将加速其商业化进程。

综上所述，量子点优化是提升PSC性能的高度可行策略。量子点在PSC中的应用不仅拓宽了我们的理解，还彰显了其在钙钛矿基光伏技术中的巨大潜力。对PSC机制的深入洞察将激发未来先进功能量子点材料的开发。毫无疑问，设计功能性量子点将成为PSC领域的“游戏规则改变者”。

文献信息：

Quantum Dots Enable Perovskite Solar Cells Performance: Interactions, Mechanisms, Progresses, and Future Perspectives

Zhao Luo,Wenxu Yin,Jianxun Wang,Yulu Hua,Zihan Zhou,Wei Zhang,Shumin Chen,Xiaoyu Zhang,Weitao Zheng

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202419268