Adv. Mater.综述：胶体量子点太阳能电池：沉积技术与大规模制备的未来前景

【背景介绍】

胶体化学法制备的半导体纳米材料可用于制备极高品质的光电器件。例如，胶体量子点光电材料具有接近完美的量子效率（非辐射能量传递过程被完全抑制），可作为显示产品中的高纯度发光中心和LED中的发光体。另外，由于胶体量子点材料的合成产率高，且伴随着近年来对量子点表面物化性质的深入理解，使量子点半导体材料在其他光电应用中亦崭露头角。在当前 “碳达峰”和“碳中和”的目标下，能将太阳光转换为日常所用电能的光伏器件将扮演重要角色。而量子点光伏器件在过去十五年里已大放异彩，光电转换效率逐年提升。而且，量子点光伏材料与先进大规模沉积技术的兼容度高，有利于生产出低成本且高性能的光伏器件。因此，就当前量子点光伏材料的发展趋势而言，一旦量子点光学活性层中电荷传输等相关的关键技术得以解决，量子点光伏技术将成为光伏领域中的领军者，进而可推动技术进步以解决目前困扰全球的重大能源与环境难题。

【成果简介】

近期，南开大学材料科学与工程学院李国然教授和赵乾博士，联合CSIR-印度化学技术研究所（IICT）Abhijit Hazarika研究员，牛津大学物理系Ashley Marshall博士，南开大学电子信息与光学工程学院张建军教授和倪牮副研究员，苏州大学袁建宇教授以及美国可再生能源国家实验室Joseph Luther研究员等人撰写了综述文章，从理论和实际应用的角度，详细论述了不同沉积技术在量子点太阳能电池规模化制备中的进展和实现工业化生产的可能性，并对目前钙钛矿量子点发展的重要难点和挑战进行了深入的分析和阐述，提出钙钛矿量子点中不仅铅元素可对人体带来众多危害，其非铅体系中新引入的元素如锡元素可通过酸化同样对环境造成污染；同时，指出钙钛矿量子点配体交换过程的高敏感性是发展大规模沉积技术的主要难点；并且，进一步强调对于目前钙钛矿量子点的发展阶段而言，提高光电转换效率和改善稳定性是降低其器件制造成本的最佳途径；最后，针对钙钛矿量子点材料及器件，提出了三个重点研究方向：1.增加钙钛矿量子点吸光层厚度，2.拓展量子点形式下钙钛矿材料的特性应用，3.以钙钛矿量子点为媒介或钝化层等功能性材料以实现其他光电材料器件中瓶颈的突破。

【图文导读】

本综述首先阐明了量子点薄膜的沉积过程（图1），其中涉及了量子点的固相配体交换过程。随后，分别对不同沉积技术如旋涂法（图2）、滴涂法（图3a-c）、浸渍法（图3d-g）、喷涂法（图4）、喷墨印刷法（图5）、刮涂法和狭缝涂布法（图6）的工作原理及其在量子点太阳能电池中的应用进展进行了总结归纳，指出：目前旋涂法是制备高效率小面积量子点太阳能电池的主要方法，刮涂法是目前报道最大面积器件的沉积方法，其次是喷涂法可制备较大面积的有效器件，再次是滴涂法和浸渍法也有相关报道，然而喷墨印刷法和狭缝涂布法相关的高效量子点太阳能电池暂无报道（图7）。最后，简要回顾了钙钛矿量子点太阳能电池的发展历程（图8），其中着重阐述了最近有关钙钛矿量子点规模化制备的研究进展（图9），更为重要的是，从材料毒性、沉积技术要求和制备成本三方面对钙钛矿量子点的规模化沉积制备进行了论述（图10），并且提出了突破其目前发展瓶颈的方法和途径。

图1量子点薄膜的沉积过程示意图

图2 旋涂法的工作原理和其在量子点太阳能电池中的应用进展

图3 滴涂法（a-c）和浸渍法（d-g）的工作原理和其在量子点太阳能电池中的应用进展

图4喷涂法的工作原理及其在量子点太阳能电池中的应用进展

图5 喷墨印刷法的沉积原理及其在光电器件中的应用进展

图6 刮涂法（a-e）和狭缝式涂布法（f-g）的沉积原理及其在量子点太阳能电池中的应用进展

图7 不同沉积技术在量子点太阳能电池效率和活性面积方面的对比

图8 钙钛矿量子点太阳能电池性能的研究进展

图9 钙钛矿量子点太阳能电池规模化制备的研究进展

图10 钙钛矿量子点太阳能电池规模化发展的困难与挑战

【结论与展望】

目前有已相当数量的企业如NanoSys, UbiQD, Avantama, Nanoco Technologies和Quantum Solutions LLC正在进行胶体量子点相关的技术布局和工业化生产， 且在一定领域已经有较为成熟的产品，因此，伴随着对量子点本征特性的深入理解和相关材料学的快速发展，相信量子点太阳能电池组件将在不久面世。为了实现量子点光伏的商业化，尤其对于钙钛矿量子点，我们不仅要持续提高单结小面积器件的性能，还要注重如何在喷涂、狭缝涂布和刮涂等可用于大面积器件的沉积技术过程中实现精准调控。总之，当文中所述的难题得以解决时，不仅单结量子点太阳能电池将迎来广阔的应用前景，而且量子点器件可与钙钛矿薄膜电池、有机太阳能电池或目前已发展成熟的硅太阳能电池等光伏器件组成叠层电池，以实现器件光电转换效率的显著提升。

相关论述发表于Advanced Materials上，南开大学赵乾博士为第一作者和通讯作者，南开大学博士生韩瑞为共同第一作者，CSIP-印度化学技术研究所Abhijit Hazarika研究员和南开大学李国然教授为通讯作者。

文献链接：Colloidal Quantum Dot Solar Cells: Progressive Deposition Techniques and Future Prospects on Large-area Fabrication, DOI: 10.1002/adma.202107888