吉大張偉組AFM：量子點(diǎn)助力鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能提升：相互作用、機(jī)制、進(jìn)展與未來(lái)展望

發(fā)表時(shí)間：2025-01-20 10:59

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主要內(nèi)容：

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）作為很有潛力的光伏技術(shù)，因其高效率與顯著的成本效益制造工藝而備受矚目。然而，其商業(yè)化進(jìn)程仍受到穩(wěn)定性、載流子動(dòng)力學(xué)特性及缺陷鈍化等挑戰(zhàn)的限制。近期，量子點(diǎn)（QDs）作為多功能材料，通過(guò)多重機(jī)制提升PSC性能，已成為研究焦點(diǎn)。

吉林大學(xué)材料科學(xué)系（材料物理與化學(xué)專(zhuān)業(yè)）的張偉教授帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)深入探討了量子點(diǎn)與鈣鈦礦的相互作用機(jī)制，及其對(duì)結(jié)晶過(guò)程、缺陷鈍化、光子管理、能級(jí)對(duì)齊和器件穩(wěn)定性的影響。量子點(diǎn)通過(guò)調(diào)控鈣鈦礦晶體生長(zhǎng)，減少晶界數(shù)量，改善薄膜的結(jié)晶度，并有效鈍化缺陷、調(diào)節(jié)能級(jí)，從而抑制非輻射復(fù)合，增強(qiáng)電荷提取效率。同時(shí)，量子點(diǎn)層還能優(yōu)化光吸收特性，并提供環(huán)境封裝保護(hù)，延長(zhǎng)器件的使用壽命。盡管量子點(diǎn)優(yōu)化的PSC展現(xiàn)出巨大前景，但要實(shí)現(xiàn)更大的性能突破，仍需在新材料設(shè)計(jì)與協(xié)同集成策略上進(jìn)行創(chuàng)新。

目前，單結(jié)PSC的光電轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)26.7%，但效率和穩(wěn)定性仍是其商業(yè)化的主要障礙。陷阱態(tài)導(dǎo)致的光學(xué)損失和非輻射復(fù)合限制了效率的提升，而鈣鈦礦材料因低形成能易于形成缺陷，進(jìn)一步降低了器件性能。此外，環(huán)境降解導(dǎo)致的不穩(wěn)定性也縮短了器件的使用壽命。盡管已引入小分子、聚合物和納米粒子等添加劑來(lái)改善這些問(wèn)題，但量子點(diǎn)因其可調(diào)電子特性、高穩(wěn)定性、高遷移率及多功能性，在提升PSC效率和穩(wěn)定性方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

量子點(diǎn)的量子限域效應(yīng)和較大的比表面積賦予其在寬吸收范圍內(nèi)吸收和發(fā)射光的能力，有助于能量向鈣鈦礦層的轉(zhuǎn)移。與小分子或聚合物相比，量子點(diǎn)具有更好的熱穩(wěn)定性和更高的載流子遷移率，這對(duì)優(yōu)化器件性能至關(guān)重要。量子點(diǎn)與鈣鈦礦的化學(xué)相互作用影響結(jié)晶過(guò)程和缺陷鈍化效果，抑制陷阱誘導(dǎo)的非輻射復(fù)合；而物理相互作用則促進(jìn)能量和電荷的轉(zhuǎn)移，提高光伏效率。同時(shí)，量子點(diǎn)層還能保護(hù)鈣鈦礦免受濕氣和氧氣的影響，增強(qiáng)器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

本文不僅綜述分析了量子點(diǎn)與鈣鈦礦薄膜的相互作用機(jī)制，還展望了量子點(diǎn)集成PSC的未來(lái)發(fā)展，并總結(jié)了關(guān)鍵器件參數(shù)和性能指標(biāo)。未來(lái)研究應(yīng)聚焦于探索不同類(lèi)型量子點(diǎn)的協(xié)同效應(yīng)，以進(jìn)一步優(yōu)化PSC性能；同時(shí)，研究量子點(diǎn)增強(qiáng)PSC在真實(shí)環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也至關(guān)重要。此外，開(kāi)發(fā)成本效益高、可擴(kuò)展的量子點(diǎn)合成及集成技術(shù)，將加速其商業(yè)化進(jìn)程。

綜上所述，量子點(diǎn)優(yōu)化是提升PSC性能的高度可行策略。量子點(diǎn)在PSC中的應(yīng)用不僅拓寬了我們的理解，還彰顯了其在鈣鈦礦基光伏技術(shù)中的巨大潛力。對(duì)PSC機(jī)制的深入洞察將激發(fā)未來(lái)**功能量子點(diǎn)材料的開(kāi)發(fā)。毫無(wú)疑問(wèn)，設(shè)計(jì)功能性量子點(diǎn)將成為PSC領(lǐng)域的“游戲規(guī)則改變者”。