GEE：如何在多种器件应用中发挥钙钛矿量子点的优势？

背景介绍：

钙钛矿量子点是一种具有钙钛矿晶体结构的量子点材料。首先，量子点材料在三维尺寸上与自由电子的德布罗意波长相当，表现出明显的量子限域效应和其性质的尺寸依赖性。量子限域效应赋予了量子点材料独特的电学及光学特性，并使其在功能材料和器件的设计上更加自由。而且，对于低成本且可大规模化的溶液加工技术，胶体分散的量子点材料具备极好的兼容性。另一方面，卤族钙钛矿半导体材料具有吸收系数高、载流子寿命长、载流子迁移率高等优势，且已在众多领域展现出巨大的潜力。因此，兼具两类材料优势特性的钙钛矿量子点材料，或可在某些器件应用领域助其打破当前限制，实现性能的突破，亦或可拓展器件的应用范围，实现器件的功能性创新。

成果简介：

近期，南开大学材料科学与工程学院李国然教授和赵乾博士，联合CSIR-印度化学技术研究所（IICT）Abhijit Hazarika研究员，韩国汉阳大学Young-Hoon Kim博士，中国科学院过程工程研究所苗青青研究员，湖南师范大学物理与电子科学学院翟亚新教授，布鲁克大学高建波教授等人撰写了综述文章，论述了钙钛矿量子点在各应用领域的发展潜力及概况。基于各种器件应用的工作原理，并结合钙钛矿量子点自身的性质特点，阐述了钙钛矿量子点在器件应用的突出优势以及面临的难题。并且，结合当前钙钛矿量子点在该应用领域的发展状况，提出未来可能的发展方向。目前，对于LED而言，在某些发射波长下，基于钙钛矿量子点的器件比使用钙钛矿二维/三维体材料的器件表现出更高的外量子效率和亮度。在太阳能电池应用中，基于钙钛矿量子点的器件由于其高的操作灵活性、制造简单和较低的环境影响而不断受到关注，但是钙钛矿量子点太阳能电池的光电转换效率和操作稳定性仍明显不足。在激光应用方面，一些基于钙钛矿量子点的随机激光器表现出优于钙钛矿三维体材料激光器的性能参数。对于二氧化碳的催化还原，钙钛矿量子点亦表现出了优异的性能。在光电探测器研究领域，钙钛矿量子点光电探测器与钙钛矿三维体材料的器件具有相当的性能。同样，在忆阻器应用中，钙钛矿量子点和三维体材料之间没有表现出明显的性能差异，且这两种类型的钙钛矿忆阻器都仍处于开发阶段，在器件结构和材料科学方面需要进一步探究。

图文导读：

本综述首先概括了钙钛矿量子点的本征优势特性及其在各器件领域的应用（图1）。随后，分别对不同应用领域如发光二极管（图2）、太阳能电池（图3）、探测器（图4）、激光（图5）、催化反应（图6）和忆阻器（图7）的工作原理及钙钛矿量子点在其中的应用进展及潜力进行了总结归纳。最后，简要阐述了钙钛矿量子点在器件应用中的挑战及未来发展方向。

图1钙钛矿量子点的优异特性及相关应用领域

图2 钙钛矿量子点在LED应用领域的优势性质及发展概况

图3 钙钛矿量子点在太阳能电池应用领域的优势性质及发展概况

图4钙钛矿量子点在探测器应用领域的优势性质及发展概况

图5 钙钛矿量子点在激光应用领域的优势性质及发展概况

图6 钙钛矿量子点在催化应用领域的优势性质及发展概况

图7 钙钛矿量子点在忆阻器应用领域的优势性质及发展概况

结论与展望

近年来，钙钛矿材料的惊人发展让物理学家、化学家、材料科学家和工程师齐聚一堂，来讨论钙钛矿量子点的最新发现，以及它们在光子、电子和光电应用中的优缺点。鉴于自 2021 年 1 月以来与钙钛矿量子点相关的数千篇期刊论文发表（来源：Web of Science），我们发现尽管许多已发表的一些实验结果时有存在差异或争议，如晶相认定、配体交换动力学、器件制备细节等方面，但人们目前最为关注的是钙钛矿量子点的稳定性，这可归因于钙钛矿量子点的晶体结构易受极性溶剂和高动态表面配体结合的影响。因此，随着钙钛矿量子点器件性能的不断提高，更多的研究则需要致力于深入了解钙钛矿量子点的本征特性。通过真实模型且直接地揭示钙钛矿量子点间的载流子传输机制，并进行合理细致地设计新型器件结构，探究其工作原理，有望取得其应用性能的突破性进展。此外，我们认为利用钙钛矿量子点的多激子产生效应一直是释放其性能潜力的关键。而且，由不同类型钙钛矿量子点组装的超结构可利用其多样化且独特的性质来解决高效可持续器件应用领域中所面临的科学及实际问题。

相关论述发表于Green Energy & Environment上，南开大学赵乾博士为第一作者， CSIP-印度化学技术研究所Abhijit Hazarika研究员和南开大学李国然教授为通讯作者。

文献链接：Advantageous Properties of Halide Perovskite Quantum Dots towards Energy-efficient Sustainable Applications  DOI: 10.1016/j.gee.2023.04.001

近期，该团队从晶相结构，微观形貌、热失重过程以及光学性质等方面，对全组分Cs_xFA_1-xPbI₃量子点的热稳定性进行了系统性分析研究。相关研究以“Thermal tolerance of perovskite quantum dots dependent on A-site cation and surface ligand”发表于《Nature Communications》上。相关链接为https://www.nature.com/articles/s41467-023-37943-6

本文由作者供稿