墨水工程方法提高量子点光伏电池的效率并降低成本

胶体量子点（CQD）是一种尺寸仅为几纳米的微小半导体颗粒，在液体溶液（即胶体）中合成。这些单晶颗粒是通过化学和物理过程分解块体材料而产生的，已被证明对光伏（PV）技术的发展具有广阔的前景。

可打印量子点太阳能电池的整个制造过程，均在苏州大学Funsom实验室的洁净室中进行。图片来源：Shi等人

基于量子点的光伏器件可能具有诸多优势，包括可调带隙、更高的灵活性以及易于溶液处理。然而，迄今为止开发的基于量子点的太阳能电池被发现存在显著的局限性，例如效率低于传统的硅基电池，而且由于合成导电胶体量子点（CQD）薄膜所需的工艺成本高昂，制造成本较高。

中国苏州大学、日本电气通信大学以及世界各地其他机构的研究人员最近提出了一种新方法，该方法可能有助于提高基于量子点的光伏电池的效率，同时降低其制造成本。他们提出的方案在《自然·能源》杂志上发表的一篇论文中进行了概述，该方法涉及对用于印刷太阳能电池薄膜的硫化铅 (PbS) 胶体量子点 (CQD) 油墨进行工程改造。

“当人们讨论胶体量子点（CQD）时，首先想到的是它们极具吸引力的尺寸相关量子特性，以及与低成本基于溶液的制造方法的兼容性，这为下一代半导体材料开辟了令人兴奋的可能性，特别是在可印刷太阳能电池和光电设备方面，”该论文的共同作者史国政和刘泽克告诉 Tech Xplore。

“然而，这些潜在的应用往往被生产导电 CQD 薄膜所需的复杂且昂贵的合成和制造工艺所掩盖。”

目前用于生产导电胶状量子点 (CQD) 薄膜的工艺复杂且成本高昂，产量有限，胶状量子点活性层的成本在 0.25 美元至 0.84 美元/Wp 之间，这使其商业化应用成本过高。此外，现有工艺对材料质量的控制有限，因此对最终太阳能电池的质量控制也存在局限性。

“在我们开展这项研究之前，面积超过10平方厘米的胶体量子点（CQD）太阳能电池组件的功率转换效率（PCE）仅为约1%，这与实验室规模的器件（0.04平方厘米）超过12%的PCE形成了鲜明对比，”刘教授说道。“这种效率差距，加上涉及热注入和配体交换等成本高昂且复杂的方法，使得商业规模的胶体量子点光伏技术几乎无法实现。效率差距加上成本高昂的方法，使得商业规模的胶体量子点光伏技术难以实现。”

刘教授及其同事近期研究的主要目标是促进基于量子点的光伏电池的未来发展，从而实现低成本生产大面积高效太阳能电池。为了实现这一目标，他们引入了一种新的油墨工程方法，以支持胶体量子点（CQD）薄膜的生产。

刘教授解释说：“为了制造大面积导电量子点薄膜，这些粒子需要均匀紧密地堆叠，同时保持各自的状态以保留量子效应。任何尺寸或堆叠的不一致都可能导致能量损失，从而对半导体性能产生负面影响。这需要在量子点堆叠和配体设计之间找到微妙的平衡。”

聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 基底上的柔性量子点薄膜——为未来低成本、大面积、轻量化的可印刷柔性半导体铺平了道路。图片来源：Shi 等人

传统的制备胶体量子点（CQD）的方法依赖于热注入技术，即先将量子点包裹在长链绝缘配体中，然后再通过配体交换的方式将其转化为短链配体，从而提高薄膜的导电性。这些方法既昂贵又复杂，因此难以大规模复制。

刘教授表示：“配体交换工艺不仅增加了复杂性和材料成本，还会导致聚集和形态缺陷，难以实现大面积的均匀性。相比之下，我们的方法采用直接合成（DS）技术来制备胶体量子点墨水。”

刘教授及其同事设计的新型油墨工程方法，能够直接在极性溶剂中合成离子覆盖的胶体量子点 (CQD)，从而无需复杂的配体交换过程。利用他们的方法，研究人员能够一步打印出紧密堆积的导电胶体量子点 (CQD) 薄膜。

“为了最大限度地减少聚集和融合，我们控制墨水的化学环境，利用溶液化学工程 (SCE) 策略精确调整离子的配置和功能，”刘教授说道。“简化的量子点技术和更高的墨水稳定性，使得胶体量子点 (CQD) 墨水更加稳定，缺陷更少，从而能够大规模制造量子点薄膜和光伏器件，成本低于 0.06 美元/瓦。”

史志强、刘志强和他们的同事在一系列测试中验证了他们提出的方法，并表明该方法能够生产出高度稳定的量子点墨水。此外，他们还发现了表面主导且不可逆的量子点相互作用与印刷胶体量子点（CQD）薄膜中存在的缺陷之间的联系，以及基于这些薄膜的大面积太阳能电池的性能。

刘先生表示：“我们的努力促成了首个大面积胶体量子点太阳能组件的诞生，其经认证的光电转换效率（PCE）超过 10%，这标志着胶体量子点光伏技术商业化迈出了重要一步。”

此外，我们还实现了高效的小面积太阳能电池，其PCE高达13.40%，为胶体量子点技术树立了新的标杆。这些进展至关重要，因为它们解决了长期以来限制胶体量子点太阳能电池广泛应用的可扩展性和成本挑战。

这项最新研究可能很快会促进低成本、大面积、高性能的基于胶体量子点的太阳能电池和其他光电设备（如近红外传感器或太空探索工具）的开发。

作为下一步研究的一部分，刘和他的同事计划进一步改进使用他们的方法生产的油墨，因为这可以生产出效率更高的太阳能电池，同时扩展它们在现实世界中的应用。

“我们将探索将该技术应用于各种量子点，包括低毒变体和柔性电子产品，”刘补充道。“此外，我们还将研究其在短波红外 (SWIR) 成像仪等领域的应用——这些成像仪是推进自动驾驶汽车、智能机器人和工业自动化等经济实惠的人工智能技术的关键部件。”

“最终，我们的目标是将这项技术推广到商业生产，从而降低成本并减少量子点电子器件对环境的影响。”

更多信息： Guozheng Shi 等，通过稳定油墨工程克服大面积量子点光伏的效率和成本障碍，《自然能源》（2025）。DOI ：10.1038/s41560-025-01746-4

期刊信息： 《自然能源》