引用本文:杨锁龙，余慧龙.磷化铟胶体量子点合成及其在敏化太阳能电池中的应用进展[J]. 化学试剂，2024，46（9）:92-104.
DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2023.0848.
量子点具有独特的量子尺寸效应和优异的光电特性，其在LED、太阳能电池等领域具有广阔的应用前景。InP量子点激子波尔半径大、光谱可调性宽、无镉无铅、环境友好，是替代CdSe、PdS等含镉含铅量子点的最佳材料之一，其在生物探针、量子点太阳能电池等领域具有潜在的应用前景。与CdSe、CdS材料相比，InP胶体量子点无论是合成质量还是光电转换性能均有待提高；这与InP量子点的化学特性有关，如合成难度较大、稳定性相对较差等，因此鲜有关于InP量子点敏化太阳能电池的研究报道。
1. 围绕InP量子点的合成质量与光电特性，对InP量子点的几种化学合成法进行了综述分析；2. 针对量子点敏化太阳能电池的发展现状进行了综述与讨论，并对少有的几篇InP量子点敏化太阳能电池研究报道进行了分析；3. 结合笔者在InP量子点敏化太阳能电池研究进展，提出了InP量子点合成以及在敏化太阳能电池中的应用所面临的问题与挑战。胶体量子点的尺寸大小和单分散性（主要指尺寸、形状、结构等方面的均匀性）是量子点质量优劣的重要指标之一。量子点的尺寸越均匀，其发光的单色性就越好，越不易被重叠峰干扰。通常用吸收峰或荧光峰的半高宽（FWHM）来判断量子点的单色性；另外还可通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）来检测量子点的尺寸大小、形貌以及尺寸均一性（量子点粒径的标准偏差σ）。胶体量子点应用于发光领域时，除了单色性，另一个重要的指标是荧光量子产率（也称荧光量子效率[25]），它代表着量子点发光的相对强度。除此之外，吸光的波长范围、发光的稳定性等对量子点发光应用均很重要。从1994年至今，InP胶体量子点的合成方法主要包括热注入合成法、溶剂热法、金属转移法、离子交换法等。1.1 热注入合成法（高温热解法）
热注入合成法也称作高温油相法或有机金属法。该方法将一种反应物前驱体快速注射到另一种含有机金属前驱体和配体化合物的反应物中，利用反应溶液的高温使注入瞬间两种反应物迅速反应成核生成量子点晶核并受控晶体生长。1.2 溶剂热合成法
溶剂热法是在水热法基础上发展出来的一种合成方法。与水热法相似，溶剂热法以有机溶剂代替水作为反应溶剂，在反应釜内利用反应温度和高压使几种反应物进行反应而合成纳米晶。与热注入法相比，它操作简单、不需要像热注入法那样除水除氧的操作，也不使用易燃有毒且危险的有机磷源；溶剂热法合成的量子点水溶性较好，且量子点的合成成本可以进一步降低。1.3 其他合成方法
金属转移法：Lauth等[46]用铟的卤化物作为In前驱体，三辛基膦（TOP）作为磷源，三辛基氧化膦（TOPO）作为溶剂，n-丁基锂作为还原剂，300 ℃高温下铟源与磷源反应形成InP量子点。用该方法合成的量子点尺寸较大，如图4所示，但尺寸分散性较差。
由于具有特殊的量子尺寸效应和多激子效应，量子点在太阳能电池领域具有潜在的发展前景[49]。量子点敏化太阳能电池概念来源于染料敏化太阳能电池，用量子点替代染料分子来敏化二氧化钛半导体，通过图5所示的结构组成量子点敏化太阳能电池。量子点敏化太阳能电池主要由光阳极、敏化剂、电解质和对电极组成（图5）。
2.2 光阳极和量子点敏化光阳极
光阳极一般由透明导电玻璃的上沉积宽带隙半导体膜而成。导电玻璃有掺F的SnO2（FTO）导电玻璃和铟锡氧化物（ITO）导电玻璃。宽带隙半导体薄膜的主要作用是负载量子点敏化剂、增强光散射能力提高太阳光利用率、并将量子点导带电子迁移至导电电极中。常见的光阳极半导体薄膜材料有TiO2[53]、ZnO[54]和Sn2O[55]。2.3 对电极
对电极在光电转换循环中主要的作用是收集来自外电路的电子，并快速传输至电解质中以使电解质还原。对电极的性能对量子点敏化太阳能电池的光电转换效率有直接的影响。对电极需要具有高比较面积和高的催化活性，可高效还原电解质以保持氧化还原电解对的量[72]；进而有效减小电解质氧化还原反应过程中的电荷传输电阻(Charge transfer resistance，Rct)和串联电阻(Sheet resistance，Rs)，提高短路电流密度(Short- circuit current density，Jsc)和填充因子(Fill factor，FF)。2.4 电解质
在量子点敏化太阳能电池中必须要采用电解质来使受激发的量子点再生，而且电解质对量子点敏化太阳能电池性能的稳定性和寿命有着重要的影响。量子点敏化太阳能电池的液体电解质有多碘电解质（I3-/I-）[79]或多硫电解质（S2-/Sx2-）[80]。量子点敏化剂是指用于量子点敏化太阳能电池的量子点敏化光阳极中的量子点，其作用是类似染料敏化太阳能电池中的染料分子，只不过这里是用量子点来敏化TiO2氧化物半导体。量子点敏化剂的作用是捕获太阳光，吸收光子并利用量子点的离子限域效应在光子激发下产生光生载流子（光生电子-空穴对）；量子点敏化剂对量子点敏化太阳能电池的光电转换效率起到至关重要的作用。
InP属于直接带隙半导体，理论吸收太阳光的范围宽且与TiO2半导体具有良好的能级匹配（图9），因此InP量子点敏化太阳能电池发展前景广阔。
综上所述，近几十年来InP量子点制备技术和应用研究已经取得了较大的进展，而且它的宽吸收、低毒性、高荧光量子产率使它在量子点的生物、发光以及光电应用领域具有广阔的发展前景。虽然，III-V族中InP量子点材料的制备和应用均取得了极大的进步，但是其合成质量、光学、电学性能距离实际应用还有一定的距离，尤其是关于InP量子点敏化、共敏化等量子点太阳能电池的研究非常少。因此对InP量子点材料的合成方法和量子点敏化太阳能电池应用研究提出如下几点问题和挑战。3.1 发展新的InP量子点合成方法和新的磷源。新的合成方法离不开磷源的开发，尤其是低成本且绿色安全的磷源。使用(DEA)3P作为磷源高效合成高质量InP量子点，为获得高质量的InP量子点提供了新的思路。
3.2 提高InP量子点的稳定性、改善吸光和发光范围；进一步发展量子点的掺杂或其他核壳结构的InP量子点。改善InP量子点的稳定性、提高荧光量子效率等在量子点发光器件、生物医学以及量子点敏化太阳能电池应用中具有重要的价值。
3.3 InP的带隙宽度、吸光范围、吸光系数、无镉无铅等优势，使得InP量子点具有潜在的光伏应用前景。目前InP、InAs等III-V族量子点在量子点敏化太阳能电池方面的研究相对较少，基于此类量子点敏化太阳能电池的光阳极、电解质和对电极的研究和开发方面都还有很大的空间。
