16.20%！苏州大学，再发Nature Energy！
米测MeLab
2024-08-20
研究背景
随着光电技术的迅速发展，基于半导体胶体量子点（QD）的太阳能电池由于其优异的性能和潜在的应用前景，日益引起科学界的广泛关注。量子点是一种具有独特光电特性的半导体纳米材料，其可调节的带隙、出色的多重激子生成能力和高效的光电转换效率，使其成为下一代太阳能电池的重要候选材料。然而，传统QD太阳能电池在制造过程中依赖于耗时的逐层（LbL）沉积和固态配体交换工艺，这不仅限制了其规模化生产，还对设备的稳定性和性能产生了负面影响。为此，研究人员提出了设计和合成胶体钙钛矿量子点（PeQD）墨水的策略，以简化太阳能电池的制造过程。导电PeQD墨水可以通过一步涂布工艺直接沉积成薄膜，避免了传统的固态配体交换步骤。然而，PeQD因其离子特性和动态表面，使得其在极性溶剂中的稳定性较差，且表面修饰过程易引发缺陷的形成，从而导致导电PeQD墨水的制备难度较大。为了解决这一问题，苏州大学马万里、袁建宇等人合作通过引入功能性胺（如二丙胺（DPA））和路易斯碱分子（三苯基膦（TPP）），开发了一种高效的顺序酰化-配位合成方法（SACP），成功合成了稳定性高、缺陷少、导电性强的APbI3（A = 甲脒（FA）、铯（Cs）或甲胺（MA））PeQ D墨水。相关成果在“Nature Energy”期刊上发表了题为“Conductive colloidal perovskite quantum dot inks towards fast printing of solar cells”的最新论文。本研究不仅有效解决了传统PeQD墨水在制备过程中的稳定性和导电性问题，还显著提高了薄膜的均匀性和耦合性。最终，利用这种新型PeQD墨水，我们实现了太阳能电池效率的显著提升，并展示了其在大面积快速印刷技术中的潜在应用价值。这一突破为高通量、大面积太阳能电池的制造提供了新的技术路径和理论依据。
研究亮点
1. 通过顺序酰化-配位合成方法（SACP），首次合成了导电的APbI3（A = 甲脒（FA）、铯（Cs）或甲胺（MA））胶体钙钛矿量子点（PeQD）墨水。这种方法包括胺辅助的配体去除和路易斯碱配位的表面修复。2. 结合密度泛函理论（DFT）模拟和综合表征，验证了所制备的FAPbI3 PeQD墨水具有优异的分散稳定性、较低的陷阱密度和高导电性。通过一步涂布工艺成功获得了均匀且强耦合的PeQD薄膜，基于FAPbI3 PeQD的太阳能电池达到了16.61%的最佳效率（认证为16.20%），1.02 cm²的设备中获得了14.05%的效率。3. 所制备的导电PeQD墨水与大面积设备（9 × 9 cm²）的刀刮涂布技术兼容，印刷速度高达50 mm s⁻¹。这些结果表明，该方法有效简化了设备制造过程，并在高通量大面积太阳能电池制造中表现出良好的应用潜力。
图文解读
图2：FAPbI3 PeQD 墨水沉积和薄膜形态。图4：FAPbI 3 PeQD 太阳能电池的性能。 图5：用于高通量大面积薄膜和光伏的 FAPbI3 PeQD 油墨。
总结展望
本文揭示了钙钛矿量子点（PeQDs）在高效太阳能电池制造中的潜力，以及如何通过创新的合成方法克服传统技术的瓶颈。研究展示了顺序酰化-配位合成方法（SACP）在制备导电PeQD墨水中的优势，使得一步法涂布制备具有优异性能的PeQD薄膜成为可能。这一方法解决了传统钙钛矿量子点在固态配体交换过程中的缺陷问题，实现了高分散稳定性和低陷阱密度的导电墨水。此外，研究结果表明，通过优化钙钛矿量子点的表面处理和墨水配方，可以显著提高光电转换效率，使得FAPbI3 PeQD太阳能电池的效率达到了16.61%，并且可以与大面积设备制造技术兼容。这一发现不仅推动了钙钛矿量子点技术的发展，也为量子点太阳能电池的大规模生产和应用奠定了基础。该研究的创新合成策略和高效制备方法，具有广泛的应用前景，能够有效提升量子点太阳能电池的商业化进程和实际应用性能。 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
