摘要：胶体量子点（CQD）光伏技术因其可溶液加工性和能带可调性被视为下一代光伏候选，但传统量子点墨水存在稳定性差、规模化印刷效率低、制备成本高等问题。现有技术依赖复杂配体交换工艺（如SPLE），导致材料浪费（成本高达0.25–0.84美元/瓦）和器件性能损失（大组件

胶体量子点（CQD）光伏技术因其可溶液加工性和能带可调性被视为下一代光伏候选，但传统量子点墨水存在稳定性差、规模化印刷效率低、制备成本高等问题。现有技术依赖复杂配体交换工艺（如SPLE），导致材料浪费（成本高达0.25–0.84美元/瓦）和器件性能损失（大组件效率仅1%）。

成果简介

针对以上问题，苏州大学功能纳米与软物质研究院马万里教授、刘泽柯教授联合日本电气通信大学沈青教授和东京大学Hiroshi Segawa教授等人提出了一种基于溶液化学工程（SCE）的策略，通过调控弱配位溶剂中的碘化铅络合物形成功能性阴离子，构建稳定的抗融合量子点墨水。在碘富集环境中，碘化铅络合物转化为PbIxXn2- 功能阴离子，形成致密表面壳层，抑制量子点聚集和晶格融合。该方法实现了三维均匀、能带平坦化的量子点薄膜，载流子迁移率显著提高。

实验室级电池（0.04 cm²）认证效率达13.40%，活性面积扩大300倍后，12.60 cm²组件效率仍保持10%。该墨水成本低至0.06美元/瓦，碳足迹较传统方法降低两个数量级，为量子点光伏商业化铺平道路。相关研究成果以“Overcoming efficiency and cost barriers for large-area quantum dot photovoltaics through stable ink engineering”为题，于2025年4月7日发表在Nature Energy上。

作者简介

马万里教授，1992年至2000年间于复旦大学获学士&硕士学位，2000年至2006年进入美国加州大学圣巴巴拉分校攻读博士学位，导师为2000年诺贝尔化学奖获得者Alan Heeger教授。毕业后进入美国加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室就任博士后。回国后从2011年FUNSOM建院起担任教授及博士生导师至今。近年来在新型太阳能电池领域做出一系列开创性工作，在Nat. Mater.，Nat. Commun.、Joule、Adv. Mater.、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、Adv. Energy Mater、Adv. Funct. Mater、ACS Nano、ACS Energy Letters 等国际重要刊物发表论文170余篇。

图1 SCE实现稳定的CQD油墨

图1展示了通过SCE策略调控PbS量子点表面离子结构的机制。在弱配位溶剂（如GBL）中，碘化铅络合物PbIxXn2-形成致密表面壳层，增强静电排斥（zeta电位达138.5 meV），抑制量子点聚集和晶格融合。吸收光谱（图1c）和EXAFS（图1d）证实，高配位数溶剂（如DMF）中Pb-O配位主导，而低DN溶剂促进Pb-I键合。动态光散射（DLS）和小角X射线散射（SAXS）显示，SCE墨水量子点粒径分布均匀（D=12.2 nm，D₀=4.5 nm），稳定性超6000小时，满足工业印刷需求。

图2 油墨稳定性对印刷CQD薄膜形貌的影响

图2对比了不稳定DMF墨水与SCE墨水印刷薄膜的形态差异。DMF墨水因量子点聚集导致垂直尺寸不均（底部粒径7.8±1.7 nm，顶部5.2±1.2 nm），而SCE墨水薄膜呈现三维均匀性（Dₜₒₚ=4.1±0.7 nm，D₆ₒₜₜₒₘ=4.4±0.8 nm）。掠入射X射线散射（GISAXS）显示SCE薄膜结构紧凑，晶格膨胀仅0.63%（图2h），表面覆盖度提升，裂纹率降低，支持大面积（>50 cm²）均匀印刷。

图3 胶体稳定性对CQD膜载流子动力学的影响

图3揭示了墨水稳定性对载流子行为的影响。不稳定墨水的量子点融合引入能带间态（ΔE=76.90 meV），导致非辐射复合寿命延长至2395.5 ns（图3f）。SCE墨水抑制能带无序，Urbach能量降低，陷阱态密度减少47.1%（nₜᵣₐ=1.10×10¹⁶ cm⁻³）。场效应晶体管（FET）测试显示，SCE薄膜载流子迁移率提升至6.67×10⁻² cm² V⁻¹ s⁻¹，为高效电荷提取奠定基础。

图4 稳定CQD油墨印刷太阳能电池的光电性能

图4展示了全印刷量子点光伏器件的效率与规模化潜力。实验室级电池（0.04 cm²）认证效率13.40%，组件（12.60 cm²）效率10.88%，首次突破10%阈值（图4c）。暗锁热成像（DLIT）显示SCE组件缺陷减少，并联电阻提升。成本分析表明，SCE墨水材料成本仅0.06美元/瓦（传统SPLE的4.1%），碳足迹（GWP=0.306 g CO₂ eq/kWh）较硅基光伏降低90%，兼具工业化可行性与环境友好性。

结论展望

该项研究系统揭示了低成本直接合成量子点墨水中阴离子缺失导致的表面缺陷与能量损失机制。通过弱配位溶剂与碘富集环境的协同作用，碘化铅络合物转化为功能性阴离子，形成抗融合表面壳层，抑制量子点不可逆聚集和晶格融合。基于此策略，印刷的量子点薄膜具有三维均匀性、平坦能带结构和高效载流子传输特性，实验室级电池认证效率达13.40%，并首次实现活性面积12.60 cm²组件的10%效率突破。该墨水简化工艺、降低成本（0.06美元/瓦），且环境友好，有望推动量子点电子器件迈向产业化。

文献信息

Shi, G., Ding, X., Liu, Z. et al. Overcoming efficiency and cost barriers for large-area quantum dot photovoltaics through stable ink engineering. Nat Energy (2025). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01746-4

来源：MS杨站长