综述：将新兴钙钛矿量子点集成到有机太阳能电池中：从基础理解到光伏性能

《Journal of Energy Chemistry》：Integrating emerging perovskite quantum dots into organic solar cells: From fundamental understanding to photovoltaic performance

　　

摘要

钙钛矿量子点（PQDs）的引入有效解决了有机太阳能电池（OSCs）中有机半导体的根本性局限，包括高激子束缚能、低电荷输运能力以及非辐射复合等问题。本文聚焦于基于PQD的杂化OSCs的协同作用机制，重点分析了能量转移动力学、缺陷钝化、介电调谐和界面工程等方面。文中识别了两个关键的机制性洞见：一是非富勒烯受体的Lewis碱性基团与PQDs上Pb²⁺位点之间的化学协同作用，可实现缺陷钝化；二是F?rster共振能量转移与级联能级对齐在增强电荷产生和分离中的互补作用。此外，本文强调器件架构正经历从经验性体异质结共混向逐层掺杂策略的演进，后者解耦了PQDs对给体层和受体层的影响，从而实现独立优化。我们概述了高性能PQD基杂化OSCs理性设计的若干前景方向，更广泛地说，为克服有机半导体的本征性能瓶颈提供了思路。

引言

有机太阳能电池（OSCs）具有独特的优势，包括机械柔韧性、轻量化、溶液可加工性以及便捷的结构-性能可调性，在过去的二十年中引起了广泛的研究兴趣。得益于新型给体和受体材料、形态控制以及器件工程方面的进步，OSCs的功率转换效率（PCE）已突破20%大关 [1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。尽管取得了如此显著的进展，但OSCs仍面临源于有机半导体本质特性的固有局限：高激子束缚能（通常为0.3–0.5 eV）、严重的非辐射复合损失（导致开路电压损失0.5–0.6 V）以及相对较低的载流子迁移率 [10]、[11]、[12]、[13]。这些根本性约束无法仅通过材料创新完全克服，它们持续限制着效率的进一步提升以及长期运行稳定性 [14]。

金属卤化物钙钛矿量子点（PQDs）作为一种前景广阔的材料平台，已被广泛应用于各类光电器件，包括太阳能电池、光电二极管和光探测器 [15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。近年来，PQDs基太阳能电池的PCE从10.7%提升至超过19%，这得益于表面钝化和配体工程方面的进步 [15]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。PQDs具有多项与OSCs局限互补的优异特性：可调带隙、低激子束缚能、高光致发光量子产率、高载流子迁移率以及溶液可加工的表面化学性质，便于与有机层集成 [27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。自2018年首次将FAPbI₃ PQDs引入OSCs活性层以来 [33]，该领域迅速从简单的物理混合发展到多功能协同调控。早期研究主要集中在富勒烯基体系，发现PQDs主要抑制复合而非吸收光能。后续采用非富勒烯受体的工作揭示了更多功能，包括F?rster共振能量转移（FRET）、级联能级对齐、Lewis碱配位缺陷钝化以及形态精化。因此，PQD基杂化OSCs的PCE仅在短短数年内便从5.5%提升至超过20% [33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。

本综述系统概述了PQD基杂化OSCs，侧重于机制理解而非文献的全面汇编。图1展示了PQD基杂化OSCs中使用的代表性受体材料、给体材料和PQDs的化学结构。我们将PQDs的多种功能归类为三类——化学功能、电学功能和形貌功能，并对每类的证据进行了批判性评估。我们识别了若干尚未解决的分歧，包括缺乏FRET与介电屏蔽对激子解离的相对贡献的定量解耦。值得注意的是，我们追溯了器件架构从经验性体异质结共混到逐层（LBL）掺杂的演变，这一策略解耦了PQDs对给体层和受体层的影响，代表了PQDs在OSCs中应用方式的演进。重要的是，从这个快速发展领域中提取的机制原理不仅限于PQD-OSC杂化体系，它们还为其他有机-无机杂化系统提供了可迁移的设计指导，这些系统中同样面临激子束缚能和电荷输运方面的类似挑战。最后，我们概述了五个关键的未来方向，包括功能性有机材料设计、共轭配体工程、垂直分布控制、原位表征以及多功能器件集成。我们的目标是将该领域从经验优化推向理性、机制导向的设计，并证明本文所发展的策略可作为应对其他有机-无机杂化光电器件中类似性能瓶颈的蓝本。

章节摘要

富勒烯基体系：确立基础认知

PQDs在OSCs中的探索始于富勒烯基体系。Soltani等人于2018年首次将FAPbI₃ PQDs引入DPP:PC₆₁BM体异质结（BHJ）中，器件结构和材料组成如图2(a)所示 [33]。在5 wt%的PQD负载量下，器件PCE从4.99%提升至5.51%，实现了约10%的提升（图2b）。飞秒瞬态吸收光谱揭示了电荷转移动力学：DPP单重激发态的电子注入到

挑战与未来方向

尽管取得了上述显著进展，仍面临若干科学和技术挑战。以下讨论我们认为对PQD基杂化OSCs未来发展尤为重要的五个方向。

总结

PQDs向OSCs的集成已从经验性的添加剂策略演进为多功能协同平台。在富勒烯基体系中，PQDs作为选择性调节剂，主要影响受体相并抑制复合。向非富勒烯受体的转变解锁了多种协同功能：FRET增强激子产生，介电屏蔽减弱库仑吸引并降低高效电荷

作者贡献声明

李斌：概念设计，撰写初稿。马恒哲：撰写——审阅与编辑。沈晓阳：撰写——审阅与编辑。袁建宇：概念设计，资源支持，指导，撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（52473187）、"111计划"以及苏州大学苏州纳米科学技术协同创新中心的资助。李斌感谢江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX25_3453）的资助。

李斌，苏州大学纳米科学技术学院本科毕业。现为苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）博士研究生，师从袁建宇教授。研究方向为有机及杂化太阳能电池的界面工程。

李斌|马恒哲|沈晓阳|袁建宇