Adv. Mater.綜述：膠體量子點太陽能電池：沉積技術與大規模制備的未來前景

【背景介紹】

膠體化學法制備的半導體納米材料可用于制備極高品質的光電器件。例如，膠體量子點光電材料具有接近完美的量子效率（非輻射能量傳遞過程被完全抑制），可作為顯示產品中的高純度發光中心和LED中的發光體。另外，由于膠體量子點材料的合成產率高，且伴隨著近年來對量子點表面物化性質的深入理解，使量子點半導體材料在其他光電應用中亦嶄露頭角。在當前 “碳達峰”和“碳中和”的目標下，能將太陽光轉換為日常所用電能的光伏器件將扮演重要角色。而量子點光伏器件在過去十五年里已大放異彩，光電轉換效率逐年提升。而且，量子點光伏材料與先進大規模沉積技術的兼容度高，有利于生產出低成本且高性能的光伏器件。因此，就當前量子點光伏材料的發展趨勢而言，一旦量子點光學活性層中電荷傳輸等相關的關鍵技術得以解決，量子點光伏技術將成為光伏領域中的領軍者，進而可推動技術進步以解決目前困擾全球的重大能源與環境難題。

【成果簡介】

近期，南開大學材料科學與工程學院李國然教授和趙乾博士，聯合CSIR-印度化學技術研究所（IICT）Abhijit Hazarika研究員，牛津大學物理系Ashley Marshall博士，南開大學電子信息與光學工程學院張建軍教授和倪牮副研究員，蘇州大學袁建宇教授以及美國可再生能源國家實驗室Joseph Luther研究員等人撰寫了綜述文章，從理論和實際應用的角度，詳細論述了不同沉積技術在量子點太陽能電池規模化制備中的進展和實現工業化生產的可能性，并對目前鈣鈦礦量子點發展的重要難點和挑戰進行了深入的分析和闡述，提出鈣鈦礦量子點中不僅鉛元素可對人體帶來眾多危害，其非鉛體系中新引入的元素如錫元素可通過酸化同樣對環境造成污染；同時，指出鈣鈦礦量子點配體交換過程的高敏感性是發展大規模沉積技術的主要難點；并且，進一步強調對于目前鈣鈦礦量子點的發展階段而言，提高光電轉換效率和改善穩定性是降低其器件制造成本的最佳途徑；最后，針對鈣鈦礦量子點材料及器件，提出了三個重點研究方向：1.增加鈣鈦礦量子點吸光層厚度，2.拓展量子點形式下鈣鈦礦材料的特性應用，3.以鈣鈦礦量子點為媒介或鈍化層等功能性材料以實現其他光電材料器件中瓶頸的突破。

【圖文導讀】

本綜述首先闡明了量子點薄膜的沉積過程（圖1），其中涉及了量子點的固相配體交換過程。隨后，分別對不同沉積技術如旋涂法（圖2）、滴涂法（圖3a-c）、浸漬法（圖3d-g）、噴涂法（圖4）、噴墨印刷法（圖5）、刮涂法和狹縫涂布法（圖6）的工作原理及其在量子點太陽能電池中的應用進展進行了總結歸納，指出：目前旋涂法是制備高效率小面積量子點太陽能電池的主要方法，刮涂法是目前報道最大面積器件的沉積方法，其次是噴涂法可制備較大面積的有效器件，再次是滴涂法和浸漬法也有相關報道，然而噴墨印刷法和狹縫涂布法相關的高效量子點太陽能電池暫無報道（圖7）。最后，簡要回顧了鈣鈦礦量子點太陽能電池的發展歷程（圖8），其中著重闡述了最近有關鈣鈦礦量子點規模化制備的研究進展（圖9），更為重要的是，從材料毒性、沉積技術要求和制備成本三方面對鈣鈦礦量子點的規模化沉積制備進行了論述（圖10），并且提出了突破其目前發展瓶頸的方法和途徑。

圖1量子點薄膜的沉積過程示意圖

圖2 旋涂法的工作原理和其在量子點太陽能電池中的應用進展

圖3 滴涂法（a-c）和浸漬法（d-g）的工作原理和其在量子點太陽能電池中的應用進展

圖4噴涂法的工作原理及其在量子點太陽能電池中的應用進展

圖5 噴墨印刷法的沉積原理及其在光電器件中的應用進展

圖6 刮涂法（a-e）和狹縫式涂布法（f-g）的沉積原理及其在量子點太陽能電池中的應用進展

圖7 不同沉積技術在量子點太陽能電池效率和活性面積方面的對比

圖8 鈣鈦礦量子點太陽能電池性能的研究進展

圖9 鈣鈦礦量子點太陽能電池規模化制備的研究進展

圖10 鈣鈦礦量子點太陽能電池規模化發展的困難與挑戰

【結論與展望】

目前有已相當數量的企業如NanoSys, UbiQD, Avantama, Nanoco Technologies和Quantum Solutions LLC正在進行膠體量子點相關的技術布局和工業化生產， 且在一定領域已經有較為成熟的產品，因此，伴隨著對量子點本征特性的深入理解和相關材料學的快速發展，相信量子點太陽能電池組件將在不久面世。為了實現量子點光伏的商業化，尤其對于鈣鈦礦量子點，我們不僅要持續提高單結小面積器件的性能，還要注重如何在噴涂、狹縫涂布和刮涂等可用于大面積器件的沉積技術過程中實現精準調控。總之，當文中所述的難題得以解決時，不僅單結量子點太陽能電池將迎來廣闊的應用前景，而且量子點器件可與鈣鈦礦薄膜電池、有機太陽能電池或目前已發展成熟的硅太陽能電池等光伏器件組成疊層電池，以實現器件光電轉換效率的顯著提升。

相關論述發表于Advanced Materials上，南開大學趙乾博士為第一作者和通訊作者，南開大學博士生韓瑞為共同第一作者，CSIP-印度化學技術研究所Abhijit Hazarika研究員和南開大學李國然教授為通訊作者。

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