研究背景
隨著光電技術的迅速發展，基于半導體膠體量子點（QD）的太陽能電池由于其優異的性能和潛在的應用前景，日益引起科學界的廣泛關注。量子點是一種具有獨特光電特性的半導體納米材料，其可調節的帶隙、出色的多重激子生成能力和高效的光電轉換效率，使其成為下一代太陽能電池的重要候選材料。然而，傳統QD太陽能電池在制造過程中依賴于耗時的逐層（LbL）沉積和固態配體交換工藝，這不僅限制了其規模化生產，還對設備的穩定性和性能產生了負面影響。為此，研究人員提出了設計和合成膠體鈣鈦礦量子點（PeQD）墨水的策略，以簡化太陽能電池的制造過程。導電PeQD墨水可以通過一步涂布工藝直接沉積成薄膜，避免了傳統的固態配體交換步驟。然而，PeQD因其離子特性和動態表面，使得其在極性溶劑中的穩定性較差，且表面修飾過程易引發缺陷的形成，從而導致導電PeQD墨水的制備難度較大。為了解決這一問題，蘇州大學馬萬里、袁建宇等人合作通過引入功能性胺（如二丙胺（DPA））和路易斯堿分子（三苯基膦（TPP）），開發了一種高效的順序酰化-配位合成方法（SACP），成功合成了穩定性高、缺陷少、導電性強的APbI3（A = 甲脒（FA）、銫（Cs）或甲胺（MA））PeQ D墨水。相關成果在“Nature Energy”期刊上發表了題為“Conductive colloidal perovskite quantum dot inks towards fast printing of solar cells”的最新論文。本研究不僅有效解決了傳統PeQD墨水在制備過程中的穩定性和導電性問題，還顯著提高了薄膜的均勻性和耦合性。最終，利用這種新型PeQD墨水，我們實現了太陽能電池效率的顯著提升，并展示了其在大面積快速印刷技術中的潛在應用價值。這一突破為高通量、大面積太陽能電池的制造提供了新的技術路徑和理論依據。
研究亮點
1. 通過順序酰化-配位合成方法（SACP），首次合成了導電的APbI3（A = 甲脒（FA）、銫（Cs）或甲胺（MA））膠體鈣鈦礦量子點（PeQD）墨水。這種方法包括胺輔助的配體去除和路易斯堿配位的表面修復。2. 結合密度泛函理論（DFT）模擬和綜合表征，驗證了所制備的FAPbI3 PeQD墨水具有優異的分散穩定性、較低的陷阱密度和高導電性。通過一步涂布工藝成功獲得了均勻且強耦合的PeQD薄膜，基于FAPbI3 PeQD的太陽能電池達到了16.61%的最佳效率（認證為16.20%），1.02 cm2的設備中獲得了14.05%的效率。3. 所制備的導電PeQD墨水與大面積設備（9 × 9 cm2）的刀刮涂布技術兼容，印刷速度高達50 mm s?1。這些結果表明，該方法有效簡化了設備制造過程，并在高通量大面積太陽能電池制造中表現出良好的應用潛力。
圖文解讀
圖2：FAPbI3 PeQD 墨水沉積和薄膜形態。圖4：FAPbI 3 PeQD 太陽能電池的性能。 圖5：用于高通量大面積薄膜和光伏的 FAPbI3 PeQD 油墨。
總結展望
本文揭示了鈣鈦礦量子點（PeQDs）在高效太陽能電池制造中的潛力，以及如何通過創新的合成方法克服傳統技術的瓶頸。研究展示了順序酰化-配位合成方法（SACP）在制備導電PeQD墨水中的優勢，使得一步法涂布制備具有優異性能的PeQD薄膜成為可能。這一方法解決了傳統鈣鈦礦量子點在固態配體交換過程中的缺陷問題，實現了高分散穩定性和低陷阱密度的導電墨水。此外，研究結果表明，通過優化鈣鈦礦量子點的表面處理和墨水配方，可以顯著提高光電轉換效率，使得FAPbI3 PeQD太陽能電池的效率達到了16.61%，并且可以與大面積設備制造技術兼容。這一發現不僅推動了鈣鈦礦量子點技術的發展，也為量子點太陽能電池的大規模生產和應用奠定了基礎。該研究的創新合成策略和高效制備方法，具有廣泛的應用前景，能夠有效提升量子點太陽能電池的商業化進程和實際應用性能。 Zhang, X., Huang, H., Zhao, C. et al. Conductive colloidal perovskite quantum dot inks towards fast printing of solar cells. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01608-5
