最近几年，太阳能电池领域里有个 “明星材料” 越来越火 ——CsPbX3 无机钙钛矿（X 是 Cl、Br、I 这几种元素）。它为啥能火？核心就是三个优点：吸光能力强、电子和空穴不容易分开（利于光电转换）、载流子能跑很远（减少能量损耗）。
不过这材料不是只有一种样子，它能做成零维、一维、二维、三维四种形态，每种形态的合成方法、性能，还有在太阳能电池里的用法都不一样。
一、零维量子点：小个子，有大能量
零维量子点就是三维尺寸都特别小的颗粒，小到会受 “量子限域效应” 影响 —— 简单说就是，它的光学性能能跟着粒径大小变，这在太阳能电池里特别有用。
1. 咋做出来的？
目前做量子点最常用的是 “热注射法”。先把碳酸铯和油酸、十八烯混合，在氮气保护下做成 “油酸铯前驱体”（选这个是因为另一种原料 CsX 在普通溶剂里溶不开）；再把 PbX2 和十八烯、油酸、油胺混在一起加热，等 PbX2 溶解了，快速把油酸铯溶液倒进去，控制好反应时间，量子点就出来了。现在用这方法能做出 8-10nm 左右的颗粒，不少研究里都用它做太阳能电池的吸光层。
还有 “溶剂热法”，操作更简单：把原料和非水溶剂放进高压釜，加热到一定温度反应，最后离心分离就能拿到产物。有人用这方法在 160℃下做过 CsPbCl3 量子点，粒径大概 8.2nm，结晶度还挺高。
另外两种方法 ——“微波法” 和 “离子交换法” 也常用。微波法就是用微波炉加热原料，能放慢结晶速度，方便控制粒径；离子交换法更灵活，在已经做好的量子点里加不同的卤化物盐，不用改粒径和形状，就能做出不同卤素组成的量子点，比如把 CsPbBr3 改成 CsPb (Br/I) 3。
不过这些方法都有缺点：热注射法操作麻烦，结晶太快不好控制；溶剂热法没法精准控制原料混合；微波法对设备要求高；而且目前都只能小批量做，还没实现大规模生产。
2. 粒径咋控制？
量子点的粒径特别关键，直接影响性能。主要靠三个方面控制：第一是温度。温度低，粒径就小。比如做 CsPbBr3 量子点，温度从 190℃降到 125℃，粒径能从 12nm 缩到 4nm；但温度也不能太低，低于 80℃反应可能就不发生了。第二是前驱液成分。比如油酸和油胺的比例，比例不一样，粒径甚至形态都会变 —— 比例 1:10 时能做出 4nm 的量子点，比例 6:4.5 时就变成 235nm 的纳米片了。还有 Br 和 Pb 的比例，Br 越多，粒径越小，控制在 10-25 之间，能做出均匀的 CsPbBr3 量子点。第三是添加剂。加乙酸甲酯能去掉多余配体，还能让量子点在空气中放 1 个月不变；加水分也有惊喜，30% 湿度下做的量子点，能放一年还稳定。另外掺杂金属离子也有用，比如掺 Mn2+，能让 CsPbCl3 量子点从四方相变成立方相，稳定性变好，粒径还能控制在 8nm 左右。
3. 光学性能咋样？
这量子点的光学性能是真能打：光致发光量子产率（PLQY）特别高，最高能接近 100%，意味着它吸收光后，能把大部分光能转换成电能；发射峰还特别窄（小于 30nm），颜色纯度高，而且改改卤素组成，就能覆盖整个可见光范围 ——CsPbCl3 发蓝光、CsPbBr3 发绿光、CsPbI3 发红光。
另外，CsPbI3 量子点的载流子寿命最长，能减少电荷复合，这对太阳能电池来说太重要了 —— 载流子活得久，才能更多地参与发电。
4. 太阳能电池里咋用？
目前用量子点做太阳能电池，效率已经不错了。比如用 α-CsPbI3 量子点做吸光层，器件结构是 FTO/TiO2/CsPbI3 QDs/spiro-OMeTAD/Al，光电转换效率能到 10.77%，而且在室温下能稳定很久。还有人做了双层结构，把 CsPbI2Br 和 CsPbI3 QDs 叠在一起，加 Mn2 + 掺杂后，效率冲到 14.4%，短路电流也有 15.25mA/cm²。
除了直接当吸光层，量子点还能当 “修饰剂”。比如在 TiO2 层和 MAPbI3 层之间加一层 CsPbBr3 量子点，能让吸光层沉积得更均匀，还能帮电子更快传到 TiO2 层，器件效率能从 14.7% 升到 16.4%；甚至在器件外面加一层 CsPbBr3@SiO2，能减少紫外线伤害，效率从 19.7% 提到 20.8%，100 小时后还能保持 96% 的初始效率。
二、一维纳米线 / 纳米棒：载流子的 “快速通道”
一维纳米线和纳米棒是 “长条状” 的，最大优点是能引导载流子和光子往特定方向走，传输性能特别好，而且机械强度也高，很适合做光电设备。
1. 合成方法有讲究
热注射法同样能用，不过要调整温度和反应时间。有人把铯前驱体分两次注入，先加热油酸、油胺、PbI2 混合液，第一次注入后升温搅拌，第二次注入再等 30 分钟，就能做出宽 5-80nm、长 10-20μm 的 CsPbI3 纳米线。
溶液法也很实用，比如 “室温重结晶法”，选对溶剂就行 —— 溶剂要能溶卤化物前驱体，但不怎么溶钙钛矿产物。还有人在聚合物基质里做，先让前驱体溶液在基质里变成液滴，退火后溶剂蒸发，纳米棒就长出来了，能做出 7μm 左右的 CsPbBr3 纳米棒。
气相沉积法做出来的纳米线质量更高，能精准控制成分和带隙。把 CsX 和 PbX2 粉末放石英管里加热，硅基底放在旁边也加热，通氩气就能让纳米线在基底上长出来。有人用这方法做出三角截面的 CsPbBr3 纳米线，生长方向还能控制在 (100) 晶面，结晶度特别好。
不过液相法的缺点是结晶过程难控制，气相法虽然能控形貌，但传质不均匀，还得改进。
2. 形貌咋调？温度、时间、浓度都关键
温度是核心，比如气相沉积做 CsPbBr3 纳米线，温度低的时候颗粒小、形状乱，温度升高后变成正方形截面，再升温就成三角形截面的纳米线了。反应时间也重要，做 CsPbBr3 纳米线时，反应 10 分钟只有少量纳米线，40 分钟主要是纳米线，90 分钟全是均匀纳米线，但超过 180 分钟就会变成大晶体，纳米线就没了。
前驱体浓度和搅拌速度也不能忽视。浓度越高，纳米棒越长，比如 12mg/mL 浓度做出 1.27μm 的纳米棒，30mg/mL 就能到 7.15μm；搅拌速度越快，纳米棒越小，3000rpm 的时候甚至看不到棒状结构了。
3. 光学性能：覆盖可见光，载流子寿命长
纳米线的 PL 光谱也能覆盖 410-691nm 的可见光，改卤素组成就能调发光颜色。比如 CsPbBr3 纳米线的 PL 峰在 520nm 左右，CsPbCl3 在 410nm 左右。如果纳米线尺寸小于玻尔半径，还会有量子限域效应，比如超薄 CsPbBr3 纳米线的吸收峰能从 510nm 蓝移到 445nm。
载流子寿命方面，CsPbI3 纳米线还是最强的，有效 PL 寿命能到 22.8ns，比 CsPbBr3、CsPbCl3 都长，电荷复合少，适合做光电材料。
4. 太阳能电池应用：目前多做 “辅助”，潜力大
现在还没人直接用纳米线当吸光层做太阳能电池，不过用它修饰钙钛矿膜效果很好。比如把 CsPbBr3 纳米线掺进 MAPbI3 薄膜，能形成渐变异质结，改善界面能带，提升电池效率；还有人把它掺进 MA0.3FA0.7PbI3 块状薄膜，电池效率冲到 21.4%。
直接做器件的话，有人在 FTO 玻璃上直接合成 CsPbBr3 纳米线，虽然效率只有 0.11%，但稳定性绝了 ——5500 小时后还能保持初始效率的 99%，这对长期使用太重要了。
三、二维纳米片：平面内的电荷 “快递员”
二维纳米片是 “片状” 的，平面内电荷传输特别快，而且带隙可调、载流子迁移率高，做传统薄膜器件很有优势。
1. 咋合成？热注射法是主力
改改热注射法的条件就能做，比如把温度降到 90-130℃，在隔绝空气的环境下反应，能做出厚度 1-5 个钙钛矿晶胞的纳米片。有人还用油酸铯当前驱体，加丙酮当反溶剂，能精准控制厚度，做出 3-5 个晶胞厚的纳米片，之后用离子交换法还能改成 CsPbI3、CsPbCl3 纳米片，形状大小不变。
微波法做出来的纳米片更均匀，在 80℃下能做出 3.3nm 厚的 CsPbBr3 纳米片，PLQY 还能到 75%。还有种 “色氨酸介导法”，用生物分子控制生长，能做出不同厚度的纳米片，还环保，算是个新方向。
不过目前合成方法还是依赖热注射法，结晶过程难控制，还得开发更高效的方法。
2. 厚度控制：温度、配体、添加剂都影响
温度低更容易出薄纳米片，比如 90-100℃能做出极薄的 CsPbBr3 纳米片，130℃反而会形成低对称的厚片。配体也关键，短链胺配体更利于薄纳米片生长，比如羧酸链长 18、胺链长 6 时，纳米片厚度只有 1.8nm。
加添加剂也能调厚度，比如加 HBr，加得越多纳米片越薄，从 0μL 到 7.5μL HBr，CsPbBr3 纳米片厚度能从 2.5nm 降到 1.8nm；反应时间则影响水平尺寸，时间越长水平尺寸越大，但厚度不变。
3. 光学性能：激子峰尖锐，蓝光难题有突破
纳米片的激子吸收 / 发射峰更尖锐，吸收截面也大。比如微波法做的 CsPbBr3 纳米片，吸收峰 482nm、发射峰 495nm，比块体材料的峰更窄。厚度小于 3nm 的纳米片会有量子限域效应，PL 峰会蓝移，能实现蓝光发光。
之前蓝光钙钛矿的 PLQY 一直上不去，不过有人做出能自发组装的 CsPbBr3 纳米片长方体，缺陷少，非辐射复合少，PLQY 能到 91%，算是解决了蓝光的大问题。
4. 太阳能电池应用：还在起步，有突破口
目前用纳米片做太阳能电池的研究不多，主要问题是膜厚度不够和容易相变。不过有人找到了解决办法：用醋酸铯和 HPbX3 做前驱体，做出 500nm 厚的 CsPbI3 薄膜，再加苯乙基碘化铵（PEA）形成准二维结构，抑制相变，电池效率能到 12.4%，带隙也正好适合太阳能电池。
四、三维钙钛矿：效率担当，稳定性还强
三维钙钛矿是为了解决有机 - 无机杂化钙钛矿不稳定的问题来的，光热稳定性、湿度稳定性都好，而且目前无机钙钛矿的最高效率就是它实现的。跟低维度不一样，它通常直接在器件上合成。
1. 合成方法：溶液法最常用，还有新玩法
一步溶液法最方便：把 CsX 和 PbX2 按比例溶在溶剂里，旋涂到基底上再退火，直接出薄膜。有人用醋酸铯和 MAX（卤化甲基铵）当前驱体，100℃退火就能做出黑相 CsPbI3 薄膜，还没有残留的 MAX，纯度高，用这方法做的太阳能电池效率已经能到 18% 以上。
不过 CsBr 这类难溶盐用一步法做不好，就有了多步法：先在基底上沉积 PbBr2 层，再多次旋涂或浸泡 CsX 溶液，退火让两者反应。有人优化了旋涂次数，4 次旋涂能做出 1.5μm 晶粒的 CsPbBr3 薄膜；还有人把 PbBr2 层面朝下浸泡，在受限空间里反应，能做出 860nm 晶粒的薄膜，孔洞还少。
喷涂法和双源共蒸也能用，喷涂法在空气里就能做 CsPbI2Br 薄膜，双源共蒸则能做出无孔的 CsPbIBr2 薄膜，不过设备要求高，成本也贵。
2. 形貌控制：溶剂、添加剂、掺杂都管用
选对溶剂很重要，比如做 CsPbI3，DMF+DMSO 混合溶剂比单独用 DMF 或 DMSO 好，能减慢溶剂蒸发，让薄膜更均匀；做 CsPbBr3 时，用水当 CsBr 的溶剂，CsBr 溶解度高，还不破坏 PbBr2 层，算是个绿色方法。
添加剂能稳定结构，比如加 MAX 能降低 CsPbI3 的相变温度，100℃就能出黑相；加聚乙烯吡咯烷酮（PVP），能通过化学键合稳定 CsPbI3 的立方相，减少相变。
掺杂则能增大晶粒，比如掺 Mg2+、Ca2 + 这些二价离子，它们能进入钙钛矿晶格，抑制晶核形成，让晶粒变大；掺 Sm3 + 这类镧系离子，能和 Br - 形成强相互作用，让 CsPbBr3 晶粒从 300nm 涨到 1μm，电荷传输更好。
3. 光学性能：无量子限域，带隙可调
三维钙钛矿晶粒大，不受量子限域效应影响，改卤素组成就能调带隙和 PL 峰。比如 CsPbI_xBr_{1-x}，Br 含量越多，吸收峰和 PL 峰越往短波长移，能覆盖不同的光波段，适合匹配太阳能光谱。
4. 太阳能电池应用：效率最高，稳定性能打
目前三维钙钛矿的电池效率是最高的，有人用三维 CsPbI3 做的电池，效率冲到 18.4%，还加了碘化胆碱钝化表面缺陷，能级匹配也更好；用 CsPbBr3 做的电池，开路电压能到 1.594V，掺 3% Sm3 + 后，80% 湿度下放 110 天还能保持 90% 的初始效率。
含溴的三维钙钛矿也有突破，比如 CsPbI2.25Br0.75，用 3,3 - 二苯基丙基胺修饰 ZnO 电子传输层，再优化空穴传输层，效率能到 17.37%，是目前含溴无机钙钛矿的最高记录；CsPbIBr2 则通过调整 CsI 和 PbBr2 的比例到 1.1:1，解决了成分缺陷问题，效率 10.48%，开路电压 1.32V，也刷新了记录。
最后：
CsPbX3 无机钙钛矿确实厉害，四种维度各有优势，零维量子点灵活、一维纳米线传输快、二维纳米片适合薄膜、三维效率高。但它也有绕不开的问题：含铅有毒，现在替换成 Sn 的无铅钙钛矿性能还不行；稳定性虽然比杂化钙钛矿好，但长期暴露在水和空气里还是会坏；而且目前所有方法都只能小批量做，大规模生产还没头绪。
未来要做的就是解决这些问题：找无毒的元素替代铅，改进合成方法提升稳定性，开发大规模生产技术。只要这些问题解决了，它在太阳能电池里的潜力绝对能完全释放，到时候光伏发电的效率和成本可能又会有大突破。
链接： 多维CsPbX3无机钙钛矿材料的制备及其在太阳能电池中的应用
基于大气环境下全无机钙钛矿薄膜及碳基 太阳能电池的组分调控和添加剂工程
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