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全无机钙钛矿CsPbI₃具有优异的光伏特性、良好的热稳定性和组分稳定性，而且其带隙（1.73 eV）很适合与Si、CIGS等窄带隙光伏材料形成叠层太阳电池，引起了广泛关注。然而，CsPbI₃中Cs⁺离子的半径较小，难以在结构上支撑起PbI₆八面体的钙钛矿骨架，导致其在室温下很容易转变成没有光伏性能的非钙钛矿相，俗称黄相。CsPbI₃胶体量子由于其相对较大的表面张力以及量子点的表面配体可以有效稳定光伏特性优异的钙钛矿结构，俗称黑相。此外，依据量子限域效应，通过控制CsPbI₃量子点的尺寸来精确调控其带隙，而且潜在的多激子效应可以让量子点太阳电池突破Shockley−Queisser理论限制，获得更高的光电转换效率。但是，量子点薄膜存在大量晶界，这些晶界会形成缺陷来捕获电子，在器件工作中对载流子的传输造成阻碍。为了提高量子点薄膜中载流子传输性能和提取效率，本工作提出了一种梯度带隙同质结量子点薄膜策略，在这种结构中，载流子可以更有效地被传输和萃取，进而大幅提高器件性能。

本文亮点 

构筑梯度带隙同质结量子点薄膜有效地提高了太阳电池空间电荷区内建电场的驱动力，从而促进了载流子的迁移和提取，延长了载流子的扩散距离。同质结构最大程度地避免了晶格失配的问题，减少了不必要的缺陷形成。因此，这种结构设计显著克服了由于量子点薄膜晶界多而引起的电荷复合等问题。

图1. 梯度带隙量子点吸收层上下两边的瞬态吸收对比图
该工作采用400 nm的激发光分别激发梯度带隙量子点吸收层的两端，得到了两种不同的瞬态吸收光谱。通过对比可以看出，基态漂白峰位存在大约10 nm的距离，这与上层量子点的带隙（1.80 eV）和下次量子点的带隙（1.78 eV）相差的数值吻合，说明作者设计的1.78 eV / 1.79 eV / 1.80 eV带隙梯度量子点层结构确实存在。由于带隙是由不同尺寸构成，不会出现卤素离子迁移和相变改变带隙结构。因此，薄膜在干燥空气中放置15天后瞬态吸收光谱并没有出现明显的变化，进一步证明同质结的存在，并具有稳定性。

图2. （a）不同带隙量子点的UPS测试结构（b）器件带隙结构示意图（c）器件截面SEM图（d）器件暗电流测试结果（e）J_ph−V_eff 曲线（f）Mott−Schottky拟合曲线测试结果。
为了进一步证明这种梯度带隙结构的作用，作者对每种量子点都进行了UPS测试。测试结果表明，量子点层的导带底逐步靠近电子传输层的导带底，而价带顶位置逐步升高靠近空穴传输层的价带顶，这符合促进载流子传输的规律。并且在器件截面的SEM图中可以看出量子点层中的量子点排列致密，并没有看到明显的缺陷。
之后作者通过一些列表征，如器件的暗电流测试、暗电流和光电流结合的J_ph−V_eff测试，证明了在这种结构中载流子可以被更好地提取。通过Mott−Schottky分析证明内建电场的升高到了1.26 V。并且通过SCLC的测试，作者发现载流子迁移率明显加快。作者推测这是因为梯度带隙结构增强了量子点层的内建电场，从而有效地促进了载流子的传输和提取。
量子点太阳电池的开路电压提高到了1.25 V，这意味着能量损失极大地减小。短路电流密度和填充因子分别达到14.9 mA/cm²和0.71，光电转换为13.2%。此外，这种同质结由于成分相同可以避免掺杂所产生的迁移离子问题，太阳电池的稳定性良好。这种策略为全面提高钙钛矿量子点太阳电池的性能提供了一种有效的方式。