全無機鈣鈦礦CsPbI₃具有優(yōu)異的光伏特性、良好的熱穩(wěn)定性和組分穩(wěn)定性，而且其帶隙（1.73 eV）很適合與Si、CIGS等窄帶隙光伏材料形成疊層太陽電池，引起了廣泛關注。然而，CsPbI₃中Cs⁺離子的半徑較小，難以在結(jié)構(gòu)上支撐起PbI₆八面體的鈣鈦礦骨架，導致其在室溫下很容易轉(zhuǎn)變成沒有光伏性能的非鈣鈦礦相，俗稱黃相。CsPbI₃膠體量子由于其相對較大的表面張力以及量子點的表面配體可以有效穩(wěn)定光伏特性優(yōu)異的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，俗稱黑相。此外，依據(jù)量子限域效應，通過控制CsPbI₃量子點的尺寸來精確調(diào)控其帶隙，而且潛在的多激子效應可以讓量子點太陽電池突破Shockley?Queisser理論限制，獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率。但是，量子點薄膜存在大量晶界，這些晶界會形成缺陷來捕獲電子，在器件工作中對載流子的傳輸造成阻礙。為了提高量子點薄膜中載流子傳輸性能和提取效率，本工作提出了一種梯度帶隙同質(zhì)結(jié)量子點薄膜策略，在這種結(jié)構(gòu)中，載流子可以更有效地被傳輸和萃取，進而大幅提高器件性能。

本文亮點 

構(gòu)筑梯度帶隙同質(zhì)結(jié)量子點薄膜有效地提高了太陽電池空間電荷區(qū)內(nèi)建電場的驅(qū)動力，從而促進了載流子的遷移和提取，延長了載流子的擴散距離。同質(zhì)結(jié)構(gòu)最大程度地避免了晶格失配的問題，減少了不必要的缺陷形成。因此，這種結(jié)構(gòu)設計顯著克服了由于量子點薄膜晶界多而引起的電荷復合等問題。

圖1. 梯度帶隙量子點吸收層上下兩邊的瞬態(tài)吸收對比圖
該工作采用400 nm的激發(fā)光分別激發(fā)梯度帶隙量子點吸收層的兩端，得到了兩種不同的瞬態(tài)吸收光譜。通過對比可以看出，基態(tài)漂白峰位存在大約10 nm的距離，這與上層量子點的帶隙（1.80 eV）和下次量子點的帶隙（1.78 eV）相差的數(shù)值吻合，說明作者設計的1.78 eV / 1.79 eV / 1.80 eV帶隙梯度量子點層結(jié)構(gòu)確實存在。由于帶隙是由不同尺寸構(gòu)成，不會出現(xiàn)鹵素離子遷移和相變改變帶隙結(jié)構(gòu)。因此，薄膜在干燥空氣中放置15天后瞬態(tài)吸收光譜并沒有出現(xiàn)明顯的變化，進一步證明同質(zhì)結(jié)的存在，并具有穩(wěn)定性。

圖2. （a）不同帶隙量子點的UPS測試結(jié)構(gòu)（b）器件帶隙結(jié)構(gòu)示意圖（c）器件截面SEM圖（d）器件暗電流測試結(jié)果（e）J_ph?V_eff 曲線（f）Mott?Schottky擬合曲線測試結(jié)果。
為了進一步證明這種梯度帶隙結(jié)構(gòu)的作用，作者對每種量子點都進行了UPS測試。測試結(jié)果表明，量子點層的導帶底逐步靠近電子傳輸層的導帶底，而價帶頂位置逐步升高靠近空穴傳輸層的價帶頂，這符合促進載流子傳輸?shù)囊?guī)律。并且在器件截面的SEM圖中可以看出量子點層中的量子點排列致密，并沒有看到明顯的缺陷。
之后作者通過一些列表征，如器件的暗電流測試、暗電流和光電流結(jié)合的J_ph?V_eff測試，證明了在這種結(jié)構(gòu)中載流子可以被更好地提取。通過Mott?Schottky分析證明內(nèi)建電場的升高到了1.26 V。并且通過SCLC的測試，作者發(fā)現(xiàn)載流子遷移率明顯加快。作者推測這是因為梯度帶隙結(jié)構(gòu)增強了量子點層的內(nèi)建電場，從而有效地促進了載流子的傳輸和提取。
量子點太陽電池的開路電壓提高到了1.25 V，這意味著能量損失極大地減小。短路電流密度和填充因子分別達到14.9 mA/cm²和0.71，光電轉(zhuǎn)換為13.2%。此外，這種同質(zhì)結(jié)由于成分相同可以避免摻雜所產(chǎn)生的遷移離子問題，太陽電池的穩(wěn)定性良好。這種策略為全面提高鈣鈦礦量子點太陽電池的性能提供了一種有效的方式。