量子点太阳能电池电荷传输层研究进展及展望

通讯作者：刘泽柯，马万里，苏州大学

作者：张燕南

硫化铅（PbS）量子点(CQDs)由于具有带隙可调、多激子效应及溶液法加工等优点而受到广泛关注。此外，PbS CQD具有比钙钛矿和晶硅材料更宽的吸光范围，可几乎覆盖整个太阳光谱（约300~2000 nm），使其成为单结和叠层太阳能电池的理想吸光层材料。同时，PbS CQD太阳能电池表现出优异的稳定性，非常有益于实际应用。早期的研究主要集中在CQDs的表面钝化和器件结构的优化上。近年来，研究人员在此基础上，通过对电荷传输层的材料设计和界面钝化，显著提高了PbS CQD太阳能电池的器件效率和稳定性。对PbS CQD太阳能电池电荷传输层的深入研究，是进一步提升器件性能的一种有效途径。

本文对PbS CQD太阳能电池电荷传输层的研究进行总结，主要包括：

（1）总结和分析了不同传输层材料、制备工艺、结构及界面修饰对PbS CQD太阳能电池器件性能和稳定性的影响；

（2）基于当前PbS CQD太阳能电池传输层存在的问题，提出了可能的解决方案。 

图1. (a) PbS CQD太阳能电池结构和光电转换效率的发展；(b)常用电子传输层材料能级；(c)常用空穴传输层材料能级。

电子传输层

电子传输层材料：TiO₂电子传输层的引入，使PbS CQD太阳能电池突破了传统肖特基结构的瓶颈，器件性能有了显著提升。但是，TiO₂的沉积需要高温退火，不利于大面积和柔性器件的制备。而ZnO电子传输层的沉积温度相对较低，因此广泛应用于PbS CQD太阳能电池中。为了进一步提升器件性能，掺杂Mg、K、Cs等元素可以有效调节ZnO的能带结构，提升电子提取能力。但是ZnO在紫外辐射下的稳定性较差，为了解决这一问题，SnO₂被引入到PbS CQD太阳能电池中，器件表现出优异的稳定性。

结构化的电子传输层：由于表面缺陷态密度较高，PbS CQD薄膜的激子扩散长度较短(100-200 nm)，限制了PbS CQD吸光层的厚度。通过制备三维的电子传输层如纳米线等，可以使电子传输层与吸光层形成互穿的界面，增加PbS CQD薄膜内的耗尽层宽度，从而可以增加吸光层厚度。

电子传输层/活性层界面钝化：电子传输层界面的有效钝化有助于抑制载流子复合、促进电子提取。应用最广泛的钝化技术是在电子传输层和PbS CQD层的界面处引入自组装层或超薄有机半导体，通过改变自组装层的偶极矩来改变界面处的能级排列，减少载流子在界面处的复合几率，提高光伏器件的性能和稳定性。

空穴传输层

空穴传输层材料: 与肖特基结构相比，引入金属氧化物如MoO_x、VO_x和NiO等作为PbS CQD太阳能电池的空穴传输层，使器件效率得到明显提升。然而，金属氧化物空穴传输层需要在氮气氛围下制备，器件稳定性相对较差。P型PbS CQDs作为PbS CQD太阳能电池的空穴传输层改善了上述问题，在提高器件性能的同时，器件稳定性也得到显著提升。为了进一步提升器件性能，P型有机聚合物作为PbS CQD太阳能电池的空穴传输层得到广泛研究。

空穴传输层/活性层界面钝化：与电子传输层界面钝化类似，空穴传输层界面的有效钝化也可以减少载流子在界面处的复合几率，增加空穴提取效率，提升器件性能。同时，为了实现电子和空穴的平衡传输，同时钝化电子传输层和空穴传输层的界面将PbS CQD太阳能电池器件性能提升到15.45%，是目前最高效率。

电荷传输层研究展望

针对PbS CQD太阳能电池器件的发展现状，在传输层方面的进一步研究提出如下建议：

（1）目前的电子传输层还无法兼顾高效率和高稳定性，需要系统研究不同电子传输层材料对器件性能和稳定性的影响机理，探索更高效的电子传输层材料；同时需要进一步优化界面钝化工艺以提高基于结构化电子传输层的器件效率；

（2）P型有机半导体材料在PbS CQD太阳能电池中表现出巨大的应用前景，但有机半导体的能级、迁移率等性质与器件性能之间的关系尚不清晰，需要深入研究空穴的提取和输运机制，以设计更高效、廉价的有机空穴传输层材料；同时，高效的P型PbS CQD穴传输层在能级和与活性层的界面匹配方面具有本征优势，然而， P型PbS CQD的制备工艺研究远落后于N型量子点，需要探索新型P型PbS CQD半导体墨水制备方法，提高其光电性能；

（3）前期CQD太阳能电池的传输层研究多是侧重于电子或空穴传输层的一种，近期的研究表明，对电子和空穴传输层进行协同调控，可以有效改善电荷的提取和传输平衡，从而大幅提升器件性能。因此，未来研究需要更多地关注电子/空穴传输层的协同优化设计。