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，已被证明在光伏（PV）技术发展中具有广阔的应用前景。

基于量子点的光伏电池可能具有多种优势，包括可调带隙、更高的灵活性和易于溶液处理。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CQD薄膜所需的工艺成本高昂，制造成本较高。

据外媒报道，中国苏州大学、日本电气通信大学（University of Electro-Communications in Japan）以及全球其他机构的研究人员最近提出了一种新方法，可能有助于提高基于量子点的光伏电池效率，同时降低其制造成本。

图片来源： 期刊《Nature Energy》

相关研究论文发表在期刊《Nature Energy》，并概述了新方法。该方法涉及对用于打印太阳能电池薄膜的硫化铅（PbS）CQD油墨进行工程设计。

论文共同作者Guozheng Shi和Zeke Liu表示：“当人们讨论CQD时，首先想到的是它们极具吸引力的尺寸相关量子特性，以及与低成本溶液制备方法的兼容性。这为下一代半导体材料，尤其是在可打印太阳能电池和光电器件领域，开辟了激动人心的可能性。”

然而，这些潜在的应用往往被生产导电胶体量子点（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CQD薄膜的复杂且昂贵的工艺产量有限，胶体量子点（CQD）活性层的成本在0.25美元至0.84美元/瓦之间，这对于其商业化来说过高。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有限。

“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，”Liu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。”

Liu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技术的未来发展，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，可以支持胶体量子点薄膜的生产。

“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，”Liu教授解释说。“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。”

传统的胶体量子点（CQD）制备方法依赖于热注入技术，先将量子点包裹在长链绝缘配体中，然后再进行配体交换，以增强薄膜的导电性。这些方法既昂贵又复杂，因此难以大规模复制。

Liu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，难以在大面积上实现均匀性。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（CQD）墨水。”

Liu教授及其同事设计的新型墨水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工艺。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，”Liu教授说道。“简化的量子点技术和更高的墨水稳定性，使得稳定的CQD墨水缺陷更少，从而能够大规模生产量子点薄膜和光伏器件，成本低于0.06美元/瓦。”

Shi教授、Liu教授及其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薄膜中存在的缺陷以及基于这些薄膜的大面积太阳能电池性能之间的联系。

“我们的努力最终成就了首款经认证的光电转换效率（PCE）超过10%的大面积CQD太阳能组件，这标志着胶体量子点光伏技术在商业化道路上迈出了重要一步，”Liu教授说道。“此外，我们还成功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制约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为低成本、大面积、高性能的胶体量子点太阳能电池及其他光电设备（例如近红外传感器或太空探索工具）的开发做出贡献。

作为下一步研究的一部分，Liu教授和他的同事计划进一步改进使用他们的方法生产的油墨，因为这可以提高太阳能电池的效率，同时扩展其在现实世界中的应用潜力。

“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，”Liu教授补充道。“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规模化，实现商业化生产，从而降低成本并减少量子点电子产品的环境影响。”