第一作者：
郝萌萌
通讯作者：
白杨& 王连洲
通讯单位：
澳大利亚昆士兰大学
论文DOI：
10.1038/s41560-019-0535-7
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该团队发明了一种通过配体协助下的阳离子交换反应、制备高质量
Cs
x
FA
1-x
PbI
3
胶体量子点的方法。
基于此方法制备的太阳能电池器件实现了经权威机构认证的
16.6%
的光电转化效率
，刷新了胶体量子点太阳能电池转化效率的世界纪录。
背景介绍
近年来，新兴的金属卤化物钙钛矿半导体材料因其优越的光电性能和低廉简易的制备方法受到了科研和工业界的广泛关注和研究投入。该材料在光伏发电、发光二极管和激光探测等领域都展现了极大的应用前景。尤其在光伏领域方面，以该材料为基础的太阳能电池的光电转换效率在短短几年之内迅速地从
3.8%
飙升到
25%
以上，取得了令人瞩目的发展，然而其较差的长期稳定性制约着该方向的产业化进程。导致该材料稳定性差的一个重要原因是，
目前制备高效太阳能电池的钙钛矿材料在物相成分上受到限制，需要加入易挥发的
MA
和在长期光照下促使物相分离产生的碘溴混合卤素。因此，制备不含
MA
且单一卤素成分的稳定钙钛矿材料显得尤为关键。
胶体量子点形态的钙钛矿材料，相比于相同成分下的块体或块体薄膜形态材料，具有卓越的物相稳定性。
CsPbI
3
、
FAPbI
3
以及
Cs/FA
任意比例的
Cs
x
FA
1-x
PbI
3
量子点都能在常温下维持准立方晶体结构，这一点是块体形态下无法实现的。研究表明，尺寸效应导致的晶格应变和增大的表面能实现了物相稳定。这为制备长期稳定钙钛矿太阳能电池器件提供了有效途径。目前已报道的胶体钙钛矿量子点太阳能电池仍具有较低的转化效率。在电池制备过程中长分子链配体削减不足或者配体与离子交互过程中产生大量缺陷，导致光生载流子分离与传输受到阻碍。
本文亮点
本文采用阳离子交换法快速制备
FA
与
Cs
混合阳离子钙钛矿量子点，在此过程中通过控制配体浓度实现高质量量子点和高效稳定量子点太阳能电池的制备，最终获得了新的认证光电转换效率
16.6%
的世界记录，比之前的
13.4%
记录大幅提高了
3
个百分点。
图文解析
文中指出，高效制备高质量
Cs
x
FA
1-x
PbI
3
胶体量子点的关键在于在合成过程中控制适量的油酸配体。一方面油酸作为
A
位阳离子的载体，可以实现
A
位阳离子在晶体与非极性溶剂环境中的交换和传输，另一方面油酸与
A
位阳离子协同作用，填补晶体表面缺陷，保持晶体完整不被破坏。相比之下，在较高配体浓度下的阳离子交换反应所需时间得到有效缩短，所得量子点产物荧光量子效率大大提升。
通过
STEM
观测分析表明，
Cs
与
FA
阳离子在所制备的
Cs
x
FA
1-x
PbI
3
纳米单晶中呈现随机分布，形成各自的局部富集区域，而单晶整体显现出单一组分钙钛矿具有的光学性能和物相结构（经光致荧光，紫外可见光吸收和
XRD
表征证实），并且展现出量子限域效应。
创纪录的钙钛矿量子点太阳能器件及其较高的长期稳定性
文中基于高质量钙钛矿量子点制备的太阳能电池器件采用
ITO/SnO
2
/Cs
x
FA
1-x
PbI
3
QDs/Spiro-OMeTAD/Au
的结构，最优器件的转化效率经
Newport
认证达到了
16.6%
的新世界记录。
相比于块体薄膜器件，量子点器件展现出更小的开路电压损失值。光致发光量子效率显示出，由于配体对晶体表面的钝化作用，量子点薄膜相比于块体薄膜展现出较少的非辐射复合。此外，文中通过实验和理论计算证实，相比于纯
CsPbI
3
钙钛矿量子点，
FA
阳离子的引入使得
Cs
x
FA
1-x
PbI
3
胶体量子点具有更好的物相稳定性和更低浓度的体相缺陷，解释了相比于
CsPbI
3
, Cs
x
FA
1-x
PbI
3
可以实现更高效率更加稳定的量子点太阳能电池器件的原因。
文中所报道的钙钛矿量子点太阳能电池器件展现出了较好的长期稳定性，在连续光照
600
个小时后，仍能保持其初始效率的
90%
以上，优于相同成分钙钛矿块体薄膜材料所制备的器件。分析得出，器件稳定性的提升主要是由于光照下的物相分离现象在量子点薄膜中得到了有效抑制。
在对于钙钛矿太阳能电池的商业化的推进方面，钙钛矿量子点材料相比于其块体薄膜材料在一些方面具有更突出的优势，例如胶体量子点技术分离了钙钛矿的结晶与成膜过程，解除了其在特定基底上高质量成膜的限制，并且使得其与喷涂印刷技术的结合更加便利，对制备大面积柔性太阳能器件提供了有利支持。
课题组链接：https://nanomaterials.centre.uq.edu.au/
