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Science：量子点促进钙钛矿相稳定，低温制备高效光伏器件
钙钛矿太阳能电池在近些年取得了前所未有的超越式发展，整体看来有两条主线：一条是研究有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池及其他器件，这类科研工作者主要目的是提高器件的效率和性能；另一条是将钙钛矿（多为无机钙钛矿）制备成纳米结构的材料（例如纳米线、纳米盘、纳米棒等），来研究它们性质的特点和变化，不过应用到器件方面的不算特别多。
有机无机杂化钙钛矿电池的光电转换效率已经突破了22%，但是它的一个致命问题就是稳定性，在环境条件下其主要成分会发生分解，比如CH3NH3PbI3会分解成PbI2和CH3NH3I，而后者则会挥发。全无机钙钛矿材料就不会出现上面的问题，但是它们也有个重要的缺陷，那就是在较低温度下，它们会有非常大的带隙（大于2.8 eV），这远远大于应用于光伏器件的最优带隙—1.73 eV。这个问题一直制约着无机钙钛矿在光伏领域的应用，虽然不少科学家进行了多方面的尝试，但是却没能很有效的解决这个问题。美国能源部下属国家可再生能源实验室（NREL）的Joseph M. Luther等人在Science报道了新进展，他们利用量子点来促进钙钛矿材料的相稳定，制备出了室温下稳定的高效率光伏器件。（Quantum dot–induced phase stabilization of α-CsPbI3 perovskite for high-efficiency photovoltaics. Science, 2016, 354, 92-95, DOI: 10.1126/science.aag2700）
图1. A. 不同温度合成下不同尺寸的量子点钙钛矿的吸收曲线; B. A图吸收曲线对应的归一化曲线; C. 180度条件下合成的量子点的TEM图像; D. 不同温度下合成的量子点材料的XRD曲线. 图片来源：Science
CsPbI3的立方晶相（α-CsPbI3）具有理想的带隙，但是块状CsPbI3立方晶相只在高温下才保持稳定。量子点由于较大的界面能，因此可以维持较好的立方晶相，不过普通制备方法以及不经过纯化的α-CsPbI3钙钛矿量子点几天时间就会转化为斜方晶相。作者采用不同的注射温度来调控量子点尺寸。另外还开发了一种纯化量子点的方法，利用乙酸甲酯作为抗溶剂，可以除去过量没有反应的前驱体，防止结块和团簇，避免形成斜方晶相。这种改进的量子点的合成路径与纯化方法，使得制得的α-CsPbI3量子点可以在室温空气甚至在低温下保持立方晶相数几个月。
作者使用高分辨的透射电镜测试了180 ℃下合成的样品，发现面之间的距离为0.62 nm，这与CsPbI3立方晶相的（100）平面相吻合（图1）。XRD数据与紫外吸收数据都确认了斜方晶相的衍射峰及高能量吸收峰的缺失，而且在室温下存储60天后仍然没有观察到斜方晶相。而且，即使溶液冷却到77K后，量子点仍然保持立方晶相，进一步证明了立方晶相的稳定性。
表一 不同尺寸量子点制备成电池的器件参数表
为了在光电器件中使用相稳定的a-CsPbI3量子点，作者开发了一种可以旋涂制备导电的量子点薄膜的方法。作者将量子点材料制备的薄膜应用于光伏器件，获得了10.77%的光电转换效率，而且具有较好的稳定性，随后作者还将该量子点材料应用到了发光器件中。
图2. A. 太阳能电池的器件结构; B. 电池的横切面的扫描电镜图片; C. 在空气中放置15天的电流—电压曲线。图片来源：Science
这篇文章具有非常重要的意义，不稳定材料相的合成，可以利用胶体量子点的方法来解决问题。但是众所周知，量子点材料的成膜性比较差，那么在以后的科研工作中，成膜性问题有什么办法来解决？
http://science.sciencemag.org/content/354/6308/92