钙钛矿量子点/聚合物复合材料的光电稳定性研究现状

钙钛矿量子点/聚合物复合材料的光电稳定性研究现状

时义祥

安徽理工大学  232001

摘要：钙钛矿量子点（Perovskite Quantum Dots, PQDs）因其优异的光电性能在太阳能电池、发光二极管（LEDs）等领域展现出巨大的应用前景，但实际应用中稳定性差的问题限制了其商业化进程。本文综述了近年来钙钛矿量子点/聚合物复合材料（PQD/Polymer Composites）的研究进展，探讨了复合材料光电性能和稳定性，分析了性能提升的机理，并展望了未来的研究方向。

关键词：钙钛矿量子点；聚合物；光电性能；稳定性

引言：近年来，钙钛矿材料因其卓越的光电性能迅速成为研究热点。钙钛矿量子点（PQDs）因其尺寸效应和量子限域效应展现出优异的光电性能，其具有优异的光吸收特性、高光电转换效率和良好的发光特性，这些优点使其在光电器件领域展现出巨大潜力。但稳定性问题限制了其应用。将钙钛矿量子点与聚合物复合被认为是一种有效的解决方案，聚合物基质可以提供机械支撑并阻隔水汽和氧气，从而有效提高材料的环境稳定性。

一、钙钛矿与聚合物材料概述

钙钛矿材料具有ABX3的晶体结构，其中A位通常为有机铵离子或无机碱金属离子（如Cs+），B位为金属阳离子（如Pb2+），X位为卤素阴离子（如I-）。这种结构使得钙钛矿材料具有优异的光电性能，例如高光吸收系数、长载流子扩散长度和高荧光量子产率。钙钛矿材料能够有效吸收从紫外到可见光范围内的光线。载流子扩散长度长，使得光生电子和空穴能够有效分离并传输到电极，提高了光电转换效率。

聚合物材料因其优异的机械性能、化学稳定性和易加工性，广泛应用于各种领域。在钙钛矿量子点/聚合物复合材料中，聚合物不仅提供机械支撑，还能有效阻隔环境中的水汽和氧气，从而提高钙钛矿量子点的稳定性。常用的聚合物材料包括聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚偏氟乙烯（PVDF）等。这些聚合物具有良好的成膜性和透明性，不会影响钙钛矿量子点的光电性能。此外，一些聚合物还具有良好的热稳定性和抗紫外性能，可以进一步提高复合材料的稳定性。

二、钙钛矿量子点/聚合物复合材料的稳定性研究现状

制备钙钛矿量子点/聚合物复合材料的常见方法有溶液法、原位聚合法和层层自组装法。通过将钙钛矿量子点与PMMA等聚合物复合，能够保持高光吸收性能，并提高复合材料的机械性能和稳定性。载流子迁移率是衡量光电材料性能的重要参数之一。钙钛矿量子点/聚合物复合材料中，钙钛矿量子点作为光电活性材料，提供高载流子迁移率，而聚合物基质则提供机械支撑和环境保护。例如钙钛矿量子点与聚（3,4-乙撑二氧噻吩）:聚（苯乙烯磺酸）复合，可以显著提高材料的载流子迁移率和器件的光电转换效率[1]。

热稳定性，钙钛矿量子点在高温条件下容易发生分解，导致其光电性能显著下降。这是因为高温会加速钙钛矿晶格的解离和离子迁移，进而破坏其结构完整性。聚合物基质可以通过热隔离作用，减缓高温对钙钛矿量子点的影响，从而提高复合材料的热稳定性。例如，Wang等人通过将CsPbBr3钙钛矿量子点与PMMA复合，显著提高了复合材料的热稳定性[2]。他们发现，在PMMA基质中，钙钛矿量子点能够保持更长时间的结构完整性和光电性能。这是因为PMMA的低导热性能够有效隔离外部热量，减缓热传递，从而保护钙钛矿量子点。此外，PMMA还能够在一定程度上限制钙钛矿晶格中的离子迁移，进一步提高热稳定性。

湿度稳定性，湿度是影响钙钛矿量子点稳定性的主要因素之一。钙钛矿材料对水分非常敏感，水分子能够渗透到钙钛矿晶格中，导致其水解和降解，最终破坏其光电性能。通过将钙钛矿量子点与聚合物复合，可以有效阻隔水汽，从而提高复合材料的湿度稳定性。例如，Sun等人研究了FAMAPb(I/Br)3钙钛矿量子点与PVDF的复合材料，发现PVDF能够显著提高材料的抗湿能力[3]。PVDF的高结晶性和疏水性使其成为一种理想的保护层材料，能够有效阻隔水分进入钙钛矿量子点。此外，PVDF还具有优异的机械性能和化学稳定性，进一步提高了复合材料的整体性能。

光稳定性，长时间的光照会导致钙钛矿量子点发生光降解，影响其光电性能。光照下的光氧化反应是导致钙钛矿量子点降解的主要原因之一。通过在聚合物基质中引入紫外吸收剂或抗氧化剂，可以提高复合材料的光稳定性，延长其使用寿命。例如，Jin等人通过在钙钛矿量子点/聚合物复合材料中引入抗氧化剂，显著提高了材料的光稳定性[4]。抗氧化剂能够捕捉自由基，阻止光氧化反应的发生，从而保护钙钛矿量子点。此外，抗氧化剂还可以在材料表面形成保护层，进一步提高其抗光降解能力。

三、展望

尽管钙钛矿量子点/聚合物复合材料在光电性能和稳定性方面取得了显著进展，但仍然面临一些挑战。未来的研究可以集中在以下几个方面：1）新型聚合物基质材料的开发：寻找具有更优异机械性能、热稳定性和环境保护性能的聚合物基质材料，以进一步提高复合材料的综合性能；2）界面工程的优化：通过界面修饰、表面包覆等方法，优化钙钛矿量子点与聚合物基质的界面相互作用，提升复合材料的光电性能和稳定性；3）规模化制备技术的探索：开发高效、低成本的规模化制备技术，推动钙钛矿量子点/聚合物复合材料在实际应用中的广泛应用。

参考文献：

[1] Lin C C, Chen L C, Tien C H, et al. Modified poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate as transparent electrodes for ITO-free perovskite solar cells[J]. Applied Physics Express, 2020, 13(8): 085501.

[2] Wang Z, Fu R, Li F, et al. One‐step polymeric melt encapsulation method to prepare CsPbBr3 perovskite quantum dots/polymethyl methacrylate composite with high performance[J]. Advanced Functional Materials, 2021, 31(22): 2010009.

[3] Sun R, Tian Q, Li M, et al. Over 24% efficient poly (vinylidene fluoride)(PVDF)‐coordinated perovskite solar cells with a photovoltage up to 1.22 V[J]. Advanced Functional Materials, 2023, 33(6): 2210071.

[4] Jin Y, Sun Y, Wang K, et al. Long-term stable silver nanowire transparent composite as bottom electrode for perovskite solar cells[J]. Nano Research, 2018, 11: 1998-2011.