鈣鈦礦量子點QDSC太陽能光伏電池（(鉛硫族化合物/鉛鹵化物鈣鈦礦/和無鉛量子點)

因其帶隙可調性、易于低溫墨水處理、強可見-紅外吸收和潛在的多激子產生，膠體量子點太陽能電池成為第三代光伏電池的候選之一。據報道，在過去幾年中，不同類型的膠體量子點太陽能電池的功率轉換效率，得到了前所未有的提高，使得它們的大規模制造具有吸引力。然而，膠體量子點太陽能電池的穩定性對于工業應用來說仍然是不夠的，特別是當它們在類似太陽光照的環境大氣下工作時。

集中分析了三類量子點(鉛硫族化合物，鉛鹵化物鈣鈦礦，和無鉛量子點)，并探討了目前對其降解機制的理解。對于每種材料，從材料科學和器件工程的角度討論了穩定性改進的策略。提出了一種表征膠體量子點太陽能電池穩定性的方法，這有助于世界范圍內的研究人員獲得結果的標準化對比。

膠體量子點太陽能電池（QDSC）

自從發現納米材料在光電應用中的巨大潛力以來，就吸引了研究者的興趣。一旦納米晶體的尺寸小于其相應的玻爾激子半徑，由于決定其物理性質的量子限制效應，這些材料被稱為量子點。這些膠體量子點（QD）具有幾個有用的特性：尺寸可調帶隙，窄發射光譜和環境空氣溶液的可加工性等。QD可以由單個原子物質（例如硅）或化合物半導體（例如Cd或Pb硫族化物）制成。

在光伏領域，研究較廣泛的量子點是硫屬元素鉛（PbX，X = S，Se，Te）或較近的金屬鹵化物鈣鈦礦量子點。QD還廣泛用于與發光有關的應用中，例如在發光二極管（LED）和熒光生物標記中。在這些應用中，通常使用所謂的核殼量子點，其中帶有寬帶隙半導體殼的硫屬鎘化物只是一個例子。[量子點也發現他們的方式進入量子點已經在固態激光器中使用過的一些其他-的InAs技術，而硫化鉛量子點-作為CO 2的催化劑。[量子點的獨特表面特性甚至已經成為他們自己的研究領域。由于尺寸小，QD中的原子百分比很高，位于表面，對于2 nm QD約為25％，僅舉一個例子。[  QD表面通常被稱為配體的鈍化分子覆蓋，該分子可能屬于各種類別-有機或無機，單齒或雙齒，單原子或長鏈；這些配體可用于根據需要對QD進行功能化，具體取決于其所需的用途（圖 1）。）不管較終應用是什么，QD都必須具有一個共同的特征：長期穩定性，因為上述所有應用都依賴于穩定的QD，在較佳情況下其壽命應超過數年。這種長期穩定性的動機本質上可能是經濟上的，例如商業規模的太陽能電池或發光二極管（LED）。對于生物應用而言，穩定性甚至更為重要，因為降解可能意味著產生對生物體有害的有毒副產物。

在太陽能電池應用中發現的幾種QD材料的草圖摘要。它們的光電特性通過核心尺寸/組成和表面配體鈍化來調節。在左下方的面板中，EDT和OA代表1,2-乙二硫醇和油酸配體，它們在太陽能電池應用中非常常見。在較后一個面板中，顯示了QD降解的三種**途徑。

重點關注膠體量子點太陽能電池（QDSC）的穩定性。據較近報道，這項新興的光伏技術已被研究了十多年，并迅速達到了高功率轉換效率（PCE），例如PbS的14％或鈣鈦礦QDSC的16.6％。

盡管QDSC的PCE一直在穩定增長，但與工業標準相比，設備的穩定性仍處于較低端。在許多出版物中，在避免正常應用中通常存在的應力因素的環境中測試了制造的太陽能電池的壽命。較重要的是，許多出版物使用稍微不同的方法來確定細胞的穩定性，這使得不同研究之間的直接比較變得復雜。

在過去的幾年中，為使QDSC更加穩定，已經取得了許多進步，并將在以下各節中從材料科學和器件工程的角度來討論這些問題。幾種主要的QD材料將分別介紹：硫族化物鉛QD，鹵化鈣鈦礦鉛QD和無鉛QD。

2個硫族化物鉛量子點

硫族酸鉛是一種通用的半導體材料，就已用于光電設備中，較近又被用作第三代太陽能電池的組件。

由硫化鉛，硒化物和碲化物（PbX：PbS，PbSe和PbTe）制成的QD具有使其特別可用作光伏光收集器的特性。由于它們的大玻爾半徑和強大的量子約束效應， PbX QD具有廣泛的點間波函數重疊，導致卓越的電子耦合。

他們基于解決方案的綜合成本相對較低且可擴展，可以進行修改以產生具有一系列所需帶隙的QD。盡管這類材料在光伏應用中具有很高的潛力，但它們在環境條件下降解的趨勢提出了重大挑戰。

我們將討論活動QD層和其他組成層中PbX QD退化的原因。然后，將提出一些提高PbX穩定性的常用策略。

在三種硫屬硫化物鉛中，硫化鉛（PbS）已被研究較多，并在光伏應用中得到了成功的利用。像PbSe和PbTe一樣，它具有巖石鹽立方晶體結構。PbS的體帶隙為0.4 eV，可通過將QD直徑減小到1.8 nm來增加至2.3 e。自1950年代以來，已將PbS塊狀晶體用作紅外探測器的較常用傳感器材料。

這種材料用于QDSC的歷史可以追溯到2000年代初，這是McDonald等人的開創性工作。他們將它們合并到溶液處理的光伏中。

此后，硫化鉛QDSCs的性能已經穩步上升至14％的較新記錄在PCE 2020 合成量子點的PbS較常見的方法是所謂的“熱注入的合成，” 涉及將雙（三甲基甲硅烷基）硫化物注入氧化鉛（PbO）和油酸的溶液中，導致硫化鉛納米晶體被油酸鹽配體覆蓋。

硒化鉛和碲化物是QDSC材料的另外兩個很好的選擇。實際上，在光伏應用的背景下，它們的某些特性使其有可能優于PbS。例如，與PbS相比，它們的激子玻爾半徑更大（PbS為18 nm，PbSe ]為46 nm，PbTe 為和150 nm為150 nm ），從而增加了電子耦合，并提供了多個電子生成（MEG）。[在碲化鉛太陽能電池中，已經證明了通過MEG的外部量子效率超過100％。盡管PbSe和PbTe有望實現，但是與PbS相比，它們在氧化降解中的抵抗力要低得多，因此阻礙了它們在光伏電池中的使用。這種較高的氧化敏感性是由于與硫相比，硒和碲的電負性降低。

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