碳量子点纳米材料在铅卤钙钛矿太阳能电池中的应用研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210133

摘要/Abstract

摘要：

碳量子点（CQDs）是一类粒径较小，光学性能显著，且电荷传输性能优异的类半导体纳米材料，在钙钛矿太阳能电池的性能调控和改善中得到广泛的应用。从CQDs纳米材料的合成、性能及应用出发，综述了CQDs纳米材料在钙钛矿太阳能光电器件中电子传输层、钙钛矿光吸收层和空穴传输层等方面的应用进展，并展望了该类材料调控钙钛矿太阳能器件性能的发展趋势。

关键词: 碳量子点, 钙钛矿太阳能器件, 电子传输层, 钙钛矿光吸收层, 空穴传输层

Abstract:

Carbon quantum dots （CQDs） are a category of semiconductor-like nano-materials with small particle sizes， significant photo properties and outstanding charge transportation properties， and have been extensively utilized in the modulation and amelioration for the photovoltaic performance of perovskite solar cells （PSCs）. Herein， on the basis of syntheses， properties and applications of CQDs， this paper mainly reviews the recent progress on the utilization of CQDs in the electron transportation layer （ETL）， perovskite light absorbent layer， hole transportation layer （HTL） of PSCs. Finally， the future development trend of perovskite solar device performance modulation with these CQDs materials is also prospected.

Key words: Carbon quantum dot, Perovskite solar devices, Electron transportation layer, Perovskite light absorbent, Hole transportation layer

中图分类号:

O613

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图/表 7

图1 碳量子点纳米材料的合成方法

Fig.1 Synthesis of carbon quantum dots

图2 （A）使用莲花粉作为原料通过水热技术形成S-CQDs、N-CQDs和CQDs的过程；（B）透射电子显微镜图像和CQDs的尺寸分布；（C）CQDs的HRTEM和SAED图像［63］

Fig.2 （A） Formation processes of S-CQDs， N-CQDs and CQDs using lotus powders as raw materials via a hydrothermal technique；（B） TEM image and size distribution of the CQDs；（C） HRTEM and SAED images of the CQDs［63］

表1 碳量子点的性质及应用

Table 1 Properties and applications of carbon quantum dots

性质

Properties

领域

Field

应用实例

Application examples

光学特性

Optical properties

化学传感器Chemical sensors

气体和离子检测

Detection of gases and ions^［71-73］

生物相容性

Biocompatibility

生物传感器Biosensor

荧光标记

Fluorescent labeling ^［74-76］

水溶性，负载性能，无毒

Water soluble， loading performance， non?toxic

生物成像Bioimaging

目标识别

Target recognition^［77］

绿色环保，催化效率高

Green environmental protection， high catalytic efficiency

催化作用Catalysis

催化与降解

Catalysis and degradation^［78-80］

图3 （A）在80 ℃、（B） 100 ℃和（C） 120 ℃下合成的GQD的TEM图像（插图：对应的HR-TEM图像）；（D）钙钛矿型太阳能电池平面结构示意图；（E）电池能级结构示意图；（F）钙钛矿型太阳能电池截面SEM图片［95］

Fig.3 TEM image of GQDs synthesized at （A） 80 ℃，（B） 100 ℃ and （C） 120 ℃ （inset： the corresponding HR-TEM image）；（D） A schematic representation of the prepared planar structure of the perovskite solar cells；（E） An energy diagram of the materials used in this work；（F） A cross-sectional SEM image of the GQD-based planar perovskite solar cells ［95］

图4 （A） CQDs-MAPbBr3的合成工艺；（B） CQDs-MAPbBr3的制备工艺示意图CQDs-MAPbBr3@SiO2；（C） CQDs-MAPbBr3和CQDs-MAPbBr3@SiO2在空气和湿度条件下的比较；（D）纯SiO2和（E）CQDs-MAPbBr3@SiO2的TEM图像［110］

Fig.4 Schematic illustration of （A） synthesis process of CQDs-MAPbBr3，（B） preparation process of CQDs-MAPbBr3@SiO2； and （C） comparison of CQDs-MAPbBr3 and proposed CQDs-MAPbBr3@SiO2 under air and moisture conditions； TEM images of （D） pure SiO2 （E） CQDs-MAPbBr3@SiO2［110］

图5 装置描述（A）以及设备架构FTO/d-TiO2/mp-TiO2/MAPI/HTM/Au中使用的材料的能级（B），其中HTM是CQDs或spiro-OMeTAD （C）有无HTM的MAPI器件的电流-电压特性［113］

Fig.5 Depiction of the device （A） and energy levels of the materials employed （B） with the device architecture FTO/d-TiO2/mp-TiO2/MAPI/HTM/Au， where HTM is either CQDs or spiro-OMeTAD （C） Current density-voltage charac-teristics of the MAPI devices with and without the HTMs studied in this work. The measurements have been performed in reverse scan （from higher to lower voltages）［113］

表2 碳纳米材料种类及钙钛矿太阳能电池类型

Table 2 Types of carbon nanomaterials and perovskite solar cells

序号 Num	碳纳米材料 Nano carbon materials	结构 Structure	种类 Species	光电转换效率 Photoelectric conversion efficiency/%	文献 Ref.
1	GQDs	FTO/GQDs/TiO₂/Perovskite/Spiro?OMeTAD/Au	平面 Plane	19.11	［95］
2	CDs	FTO/c?TiO₂/m?TiO₂/ CDS/Perovskite/Spiro?OMeTAD/Au	介孔Mesoporous	16.4	［96］
3	CQDs	FTO/m?TiO₂/LPP layer/Redox electrolyte/Counter electrode	介孔Mesoporous	15.1	［97］
4	GQDs	ITO/SnO₂∶GQDs/Perovskite/Spiro?OMeTAD/Au	平面 Plane	20.23	［98］
5	GQDs	FTO/TiO₂/Perovskite/Spiro?OMeTAD/Au	平面 Plane	19.89	［99］
6	GQDs	FTO/Perovskite/Carbon	平面 Plane	4.1	［100］
7	CQDs	FTO/PEDOT∶PSS/Perovskite/PCBM∶CQDs/BCP/Ag	平面 Plane	18.1	［101］
8	CQDs	ITO/SnO₂?RCQs/Perovskite/Spiro/MoO₃/Au	平面 Plane	22.77	［102］
9	g?C₃N₄	ITO/G?SnO₂/Perovskite/Spiro?OMeTAD/Au	平面 Plane	22.13	［103］
10	CQDs	FTO/bl?TiO₂/TiO₂ nanosheets/ZrO₂/Perovskite/Carbon electrode	平面 Plane	7.62	［104］
11	CQDs	FTO/bl?TiO₂/Perovskite/ml?TiO₂/Spiro?OMeTAD/Ag	平面 Plane	15.93	［105］
12	CQDs	FTO/c?TiO₂/TiO₂/Perovskite/Spiro?OMeTAD/Ag	平面 Plane	19.38	［106］
13	GQDs	FTO/TiO₂ NPs/GQDs/Perovskite/Au	平面 Plane	-	［107］
14	CQDs	ITO/PCB61M/Perovskite/NiO _x /Ag	反向 Inversion	18.24	［109］
15	CQDs	ITO/PTAA/Perovskite+CQDs/Ti/Cu	平面 Plane	19.17	［111］
16	g?CNQDs	FTO/SnO₂/g?CNQD/Perovskite/Spiro?OMeTAD/Au	平面 Plane	21.23	［112］
17	CQDs	FTO/d?TiO₂/mp?TiO₂/Perovskite/HTM/Au	平面 Plane	3	［113］
18	GQDs	FTO/c?TiO₂/Perovskite（GQDs）/Spiro?OMeTAD/Au	平面 Plane	18.9	［115］
19	E?g?C₃N₄	FTO/TiO₂/Perovskite（E?g?C₃N₄）/Spiro?OMeTAD/Au	平面 Plane	15.8	［116］
20	CQDs	ITO/NiO/Perovskite/PCBM/BCP/Ag	平面 Plane	17.02	［117］
21	CQDs	FTO/GO/C?dots/Perovskite/PCBM/Ag	平面 Plane	16.2	［118］

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