从“自上而下”（top-down）向“自下而上”（bottom-up）策略的转变，是实现半导体材料功能化与低成本制造的有效途径之一。在众多新兴半导体材料中，胶体量子点（colloidal quantum dots, cqds）凭借其独特的尺寸效应，成为极具潜力的下一代半导体材料。当半导体晶体尺寸足够小（接近或小于激子玻尔半径）时，空间限域效应会导致电子波函数的连续能带分裂为离散能级，从而改变带隙宽度，使其吸收范围从可见光区域延伸至红外区域；与此同时，晶体尺寸缩小还显著增大了比表面积，使量子点材料具有更灵活的表面化学调控能力。这一特性使其适配低温溶液工艺，为下一代半导体器件实现自下而上、大规模、低成本的制造提供了可能性。在制备光电转换器件中，量子点间需要具备良好的导电性，因此，制备导电的量子点墨水材料是实现大面积印刷制备的关键。然而，现有导电量子点墨水制备方法在实际应用中面临两大瓶颈：一是墨水的不稳定性导致量子点在储存和加工过程中易发生团聚甚至融合，进而引发薄膜形貌缺陷和能量损失；二是现有制备方法（热注射合成 配体交换）成本较高，限制了其大规模生产。迄今为止，基于量子点的大面积光伏器件（面积>10 cm²）的最高光电转换效率仅为1%左右，远低于小面积器件（>12%）的水平。此外，其材料成本高达0.25-0.84美元/瓦峰值（$/wp），难以满足商业化需求。
近日，苏州大学功能纳米与软物质研究院马万里教授、刘泽柯教授团队与日本电气通讯大学沈青教授、日本东京大学hiroshi segawa教授等团队合作，首次提出基于溶液化学工程（solution chemistry engineering, sce）的墨水稳定策略，成功突破了上述关键瓶颈。该策略以马万里教授课题组前期发展的低成本量子点导电墨水直接合成方法为基础，通过溶剂化学工程策略进一步实现了墨水中功能性离子构型的精准调控，使表面离子得以精准锚定。这一方法在提升墨水稳定性的同时，有效抑制了量子点间的外延融合。基于制备的稳定导电量子点墨水，研究人员采用规模化印刷工艺，成功制备出三维形貌均匀的量子点薄膜，有效避免了传统墨水导致的形貌缺陷和能量无序的问题。基于该策略制备的小面积（0.04 cm²）量子点太阳能电池，认证效率达13.40%，刷新了pbs量子点太阳能电池的最高认证效率纪录，突破了该领域认证效率近五年停滞不前的研发瓶颈。更重要的是，当器件面积扩大至12.60 cm²时，认证效率仍能保持在10.74%，首次突破了光伏模组10%的效率门槛，远高于文献报道的量子点组件效率（1.3%）。此外，相比于传统的配体交换方法，采用该墨水印刷制备的量子点活性层材料，其生产成本实现了数量级的降低，低至0.06美元/瓦峰值，与商业硅基光伏（0.06–0.14 $/wp）持平。同时，该工艺大幅减轻了生产过程中的环境负担。这项基于溶液化学工程的墨水稳定策略，为量子点光伏器件的大规模制造提供了新的技术路径，同时为推动其他量子点光电器件实现低成本、可印刷加工方面展现了广阔前景，有望加速量子点光电器件向商业化应用迈进。该研究成果发表于《nature energy》期刊（doi: 10.1038/s41560-025-01746-4）。博士后史国钲和博士生丁小波为该文章的共同第一作者。
《nature energy》期刊编辑评价：“这项研究的重要性在于解决了胶体量子点墨水的不稳定性和高成本问题，这些瓶颈长期阻碍着量子点电子器件的规模化生产。通过可扩展的低成本工艺制备出光电转换效率达10%的大面积光伏组件，标志着此类材料在规模化生产方面取得进步”。
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文章标题：
overcoming efficiency and cost barriers for large-area quantum dot photovoltaics through stable ink engineering
作者信息：
guozheng shi,xiaobo ding,zeke liu,* yang liu,yifan chen, cheng liu,zitao ni, haibin wang, katsuji ito, keisuke igarashi,kun feng,kaicheng zhang, larry lüer,wei chen,xingyi lyu,bin song, xiang sun, lin yuan, dong liu,yusheng li, kunyuan lu,wei deng,youyong li, peter müller-buschbaum, tao li, jun zhong,satoshi uchida, takaya kubo,ning li,joseph m. luther,hiroshi segawa, * qing shen,* christoph j. brabec,and wanli ma*
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责任编辑：郭佳