综述：下一代量子点太阳能电池：材料、器件工程和性能优化的进展

《RSC Advances》：Next-generation quantum dot solar cells: advances in materials, device engineering and performance optimization

　　

量子点太阳能电池（QDSCs）由于具有可调带隙、强光吸收、溶液可加工性以及通过多激子产生（MEG）超越肖克利-奎伊瑟（Shockley–Queisser）效率极限的潜力，已成为有前途的下一代光伏技术。本研究通过对材料开发、器件工程、界面优化和稳定性增强策略进行综合且结构化的评述，全面概述了量子点太阳能电池（QDSCs）的最新进展。与以往主要关注单一材料系统或器件架构的综述不同，该研究工作系统地将量子点吸收材料、电子和空穴传输层、电极工程、制造方法以及电荷转移机制与光伏性能指标相关联。重点比较分析了硫化铅（PbS）、硒化镉（CdSe）、钙钛矿、石墨烯和环境友好型量子点，强调了它们对效率、电荷传输、稳定性和可扩展性的影响。此外，本文还批判性地讨论了界面工程、配体交换、表面钝化、核壳结构、等离子体增强和混合架构等领域的最新进展，将其视为抑制复合损失和提高长期运行稳定性的关键途径。进一步评估了包括人工智能辅助器件优化、叠层配置和环境可持续量子点材料在内的新兴趋势，以确定未来的商业化路径。尽管取得了显著进展，但与毒性、大规模制造和环境稳定性相关的挑战仍然限制了实际部署。总体而言，这篇综述提供了一个比较性和面向未来的视角，弥合了材料科学、器件物理和可扩展工程方法之间的差距，为开发高效、稳定且商业可行的下一代太阳能技术量子点太阳能电池（QDSCs）提供了战略性见解。

**1. 引言**

量子点太阳能电池（QDSCs）因量子点（QDs）独特的量子限域效应（可调带隙、多激子产生MEG潜力）而成为第三代光伏技术的重要方向。与体半导体相比，QDs的带隙可通过尺寸调控，实现从紫外到近红外的宽光谱吸收，理论效率可超越肖克利-奎伊瑟极限（Shockley–Queisser limit）。近年来，QDSCs的效率快速提升，认证功率转换效率（PCE）已从2022年的约13.4%提升至2025年基于钙钛矿QDs器件的18.3%。然而，当前实验效率（约18.3%）与通过多激子产生（MEG）预测的理论最大值（约66%）以及中间带概念（约44.7%）之间仍存在显著差距，亟需材料创新、界面工程和器件优化。QDs的应用已扩展至发光太阳能聚光器（LSCs）、可穿戴电子和建筑一体化光伏（BIPV）等领域。

**2. 量子点太阳能电池的基本原理**

量子点太阳能电池（QDSCs）利用半导体QDs作为主要光吸收材料。光伏过程包括光吸收与激子产生、激子扩散、电荷分离及电荷传输四个阶段。QDs的尺寸分布缩小可提高器件性能，带隙接近接触层会影响开路电压（V_oc）和整体效率。

**2.1 量子点太阳能电池的设计与工作原理**

QDs作为光吸收体，通过吸收能量大于或等于其带隙的光子产生激子。电荷分离依赖于QDs与相邻选择性电荷传输层之间的能级匹配：电子传输至电子传输材料（ETM，如TiO₂或ZnO），空穴传输至空穴传输材料（HTM）或电解质。表面缺陷会作为非辐射复合中心，因此通常采用表面钝化（如无机涂层或配体交换）来改善电荷传输并抑制复合。光学管理策略（如法布里-珀罗（Fabry–Perot）谐振腔）可进一步增强活性层的光捕获。

**2.2 量子点的合成策略**

QDs合成分为自上而下和自下而上两种方法。自上而下法（如反应离子刻蚀、湿法化学刻蚀）从块体材料制备纳米颗粒，但易引入结构缺陷。自下而上法（如湿化学法中的水热合成、热注射分解，以及气相法中的化学气相沉积CVD）从分子前驱体构建QDs，可精确控制量子限域效应。例如，碳量子点（CQDs）常通过水热法制备。

**2.3 量子点太阳能电池的制备方法**

QDs层的沉积常采用多次旋涂或浸涂。浸涂QDs溶液浓度较低（10-20 mg mL^-1），每循环沉积更薄的薄膜，但耗时较长；旋涂需较高浓度（约30 mg mL^-1）。表面工程（如利用铵阳离子表面活性剂进行二次沉积）可增加QDs负载量，从而提高短路电流密度（J_sc）和PCE。例如，二次沉积ZCISe（Zn–Cu–In–Se）QDs的QDSCs使用Cu₂S/黄铜对电极实现了10.26%的PCE。

**2.4 量子点太阳能电池的数学建模与仿真**

数学建模与仿真工具（如SILVACO TCAD、Lumerical、COMSOL Multiphysics、SCAPS-1D）可深入分析器件物理、结构参数优化和性能预测。密度泛函理论（DFT）用于研究QDs表面配体的电子结构。漂移-扩散模型可评估复合路径和陷阱密度。例如，利用Lumerical进行有限差分时域（FDTD）光学仿真，结合CHARGE求解器分析电荷传输，发现通过纳米图案化ZnO电子传输层（ETL）可显著增强光捕获，单位体积吸收率提升约19.5倍。

**3. 量子点太阳能电池的材料制备进展**

材料选择和工程对QDSCs的效率、稳定性和可扩展性至关重要。典型系统包括QDs吸收体、电子传输材料（ETM）、空穴传输材料（HTM）和电极。

**3.1 基于所用材料的QDSCs分类与比较**

吸收材料方面，PbS和钙钛矿QDs因可调带隙和优异的光捕获能力而表现出较高的光伏性能，但毒性和长期稳定性仍是主要问题。碳基和InP基QDs提供环境友好替代方案，但效率较低。ETM方面，介孔TiO₂最常用，但电子迁移率低（0.1-4 cm² V^-1 s^-1）；ZnO迁移率更高（200-300 cm² V^-1 s^-1），但界面不稳定。混合TiO₂/ZnO ETL结合了稳定性和高迁移率，实现了18.24%的PCE。HTM方面，spiro-OMeTAD具有最佳的HOMO能级对齐，但吸湿且昂贵；氧化石墨烯（GO）可加速空穴转移并抑制复合；PEDOT:PSS成本低但酸性可能降解QDs。Cu₂S作为HTM和对电极在液态QDSSCs中表现出高催化活性。电极方面，ITO和FTO是标准透明前电极，但脆性和铟稀缺性推动了Ag纳米线柔性电极的发展。金（Au）背接触性能优异但成本高，银（Ag）为低成本替代方案需界面缓冲层。对电极中，Cu₂S/黄铜在聚硫化物体系中广泛使用，但存在腐蚀问题；碳基复合电极（如C-织物/WO_3-x）表现出协同催化活性和导电性。

**4. 量子点太阳能电池的主要架构**

QDSCs主要有三种架构：敏化型（QDSSCs）、耗尽异质结型（DH-QDSCs）和肖特基型。

**4.1 敏化型量子点太阳能电池**

QDSSCs结构与染料敏化太阳能电池（DSSCs）类似，采用宽禁带半导体氧化物（如TiO₂）作为光阳极，QDs作为敏化剂。光激发后，电子注入氧化物导带，经电解质（如S^2-/S_n^2-）还原QDs。效率受限于QDs/电解质界面的电荷复合、QDs负载不足和载体扩散长度低。

**4.2 量子点异质结太阳能电池**

DH-QDSCs采用固态p-n或n-n异质结，避免液态电解质问题。QDs吸收层位于n型ETL和p型HTL之间，耗尽区促进电荷分离。与敏化型相比，具有更高的载体收集效率和器件稳定性，但界面缺陷和均匀性仍需优化。

**4.3 肖特基型量子点太阳能电池**

肖特基型QDSCs基于金属-半导体（M-S）结实现电荷分离，无需额外的HTL或液态电解质。QDs薄膜直接沉积在金属（如Au、Ag、Al）上形成肖特基结。结构简单、光响应快，但PCE通常较低（5-8%），因费米能级钉扎导致开路电压（V_oc）低且复合损失严重。

**4.4 架构简要比较**
肖特基结器件结构最简单、可扩展性最高，但V_oc低；敏化型QDSSCs研究最广泛，利用MEG潜力但受限于电解质稳定性；耗尽异质结在固态中去除了液体电解质，但界面缺陷控制要求高；体异质结（BHJ）器件可溶液加工、低温制备，但形态控制关键；混合/叠层QDSCs当前PCE最高（可达18.3%），但制备复杂、可扩展性有限。架构选择应根据应用目标：肖特基和BHJ适用于柔性大面积低成本应用，混合叠层适用于高效率固定式系统。

**5. 量子点太阳能电池的性能与效率**
QDSCs性能主要受材料选择、表面钝化和器件结构影响。PbS QDs是主要材料选择，采用三阳离子钙钛矿钝化可改善光伏性能。CsPbI₃钙钛矿QDs通过表面应力工程提高相稳定性和光电性能。Ag掺杂CdS QDs在SILAR制备的器件中表现出潜力。核壳结构（如CIS/ZnS）通过钝化表面缺陷降低非辐射复合。配体交换策略（如使用烷基铵碘化物）增强钙钛矿QDs性能。理论极限PCE达66%，但当前认证最高为18.3%（2025年）。

**6. 量子点太阳能电池的效率增强**
效率增强策略包括：优化QDs负载（如二次沉积和CLIS法）、等离子体增强（如金属纳米颗粒的表面等离子体共振SPR）、配体工程（如用MPA替换油酸改善电荷转移）、多激子产生（MEG）和热载流子效应。V-型槽或复合抛物面光捕获结构可增强光吸收至11.0%。表面钝化使PbS基器件PCE达11.3%，稳定性超1200小时。带隙对齐工程（如混合TiO₂/ZnO ETL）实现18.24%的PCE。MEG理论PCE达44.7%，但载流子提取仍是瓶颈。AI辅助优化可加速参数筛选。

**7. 量子点太阳能电池的稳定性与降解**
暴露于高温和湿气中，铅硫族化物和铅卤化物钙钛矿QDs易氧化降解。配体类型影响稳定性：有机配体易氧化，无机配体（如碘化物）可防止空气降解。湿度加速水分在表面的吸附。玻璃和聚合物封装可提供保护，但增加成本。分子涂层和自修复材料可修复表面缺陷。标准化测试对于评估稳定性至关重要。

**8. 量子点太阳能电池的界面工程与电荷传输机制**
界面工程是影响QDSCs性能的关键因素。带隙对齐工程可改善开路电压（V_oc）并消除暗电流损失。钝化表面（如PbS QDs包覆钙钛矿壳）可抑制复合。先进方法包括配体工程、原子层沉积中间层、石墨烯传输层和纳米结构阻挡层。优化界面能级和载流子平衡对器件稳定运行至关重要。

**9. 量子点太阳能电池技术的最新进展**
核壳结构（CSQDSCs）提供可调带隙和改善的电荷载流子动力学，降低非辐射复合。多层结构结合硅基、钙钛矿和QDs核壳组分实现宽光谱吸收。LSCs领域，无重金属的CuInS₂/ZnS核壳QDs实现26.5%光学效率，Ga掺杂CuInS₂ QDs光致发光量子产率达92%。AI和机器学习分析大量数据优化材料组合。当前认证PCE最高为18.3%，理论极限达44.7%（中间带概念）或66%（理想量子限域条件下）。混合器件与硅或钙钛矿结合可超越单结效率。表面工程（如配体交换）对钙钛矿QDs性能至关重要。GQDs因零维碳结构和可调带隙被用于各层。核壳QDs提高量子产率和稳定性。三维电极增加QDs吸收位点和电荷传输。QDs中间带太阳能电池（QD-IBSCs）可吸收亚带隙光子。

**10. 挑战与展望**
主要挑战包括：毒性问题（铅、镉），需开发碳基、钙钛矿QDs等无毒性替代品；大规模制造受限于旋涂和逐层沉积，需发展卷对卷印刷和喷墨打印；高前驱体成本和复杂工艺限制竞争力。未来方向：开发稳定的器件设计、改善电荷传输和收集、探索新颖材料组合、利用等离子体效应、AI辅助设计、集成光子晶体和二维材料等。合理回收和处理系统可减轻环境风险。

**11. 结论**
QDSCs因其尺寸可调的量子限域效应、宽光谱吸收、多激子产生（MEG）和溶液可加工性，成为极具前景的第三代光伏技术。理论效率达66%，实验效率超过18%。通过控制纳米晶尺寸、表面钝化和缺陷管理，合成技术进步改善了电荷传输和减少了复合。界面工程、配体交换和异质结构设计进一步提升了稳定性和性能。无铅无镉QDs、钙钛矿-QDs混合体及核壳结构的发展减少了环境影响。溶液基低温制造提供低成本、可扩展和可持续的替代方案。然而，仍需跨学科研究解决大规模生产、长期稳定性和材料毒性问题。QDSCs有望在可再生能源未来中发挥核心作用。