1 工作简介

         ——超稳定导电量子点墨水实现大面积光伏性能突破

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：（1）导电量子点墨水工艺复杂、稳定性差——目前主流的量子点太阳能电池制备依赖于“热注射合成+配体交换”工艺，该路线工艺复杂；另外，交换后的导电量子点胶体稳定性差，在储存与印刷过程中易团聚或融合，导致薄膜形貌缺陷和能量无序，严重影响器件性能。（2）大面积器件光电转换效率低、制备成本高——目前，基于量子点的大面积光伏组件（面积>10 cm²）的光电转换效率仍徘徊在1%左右，远低于小面积器件（>12%）的实验水平；其材料成本高达0.25–0.84 $/Wp，难以满足商业化应用需求。

针对上述核心瓶颈，苏州大学功能纳米与软物质研究院马万里教授、刘泽柯教授团队联合日本电气通讯大学沈青教授与东京大学Hiroshi Segawa教授团队，首次提出了基于溶液化学工程（Solution Chemistry Engineering, SCE）的量子点墨水稳定化新策略，实现了量子点光伏材料体系的突破。

图1. 溶剂化学工程助力量子点墨水表面化学设计突破稳定性限制。

该策略建立在马万里课题组前期提出的低成本量子点导电墨水直接合成方法基础上，通过在溶液阶段精准调控离子构型与配位环境，实现了表面离子精确锚定与界面势能分布均一化。这一设计有效防止了量子点在溶液储存与印刷过程中的外延融合，从根本上提升了墨水的化学稳定性与电学均匀性。

依托该溶液化学工程策略，研究团队利用规模化印刷工艺制备出三维形貌均匀的量子点薄膜，成功消除了传统墨水导致的表面缺陷与能量损耗问题。

图2. 印刷量子点半导体纳米尺度形貌分布研究实现三维形貌均匀度。

基于此制备的小面积（0.04 cm²）PbS量子点太阳能电池，认证效率高达13.40%，刷新了全球PbS量子点光伏器件的最高认证纪录，突破了该领域五年来的效率停滞瓶颈。更具突破意义的是，当器件面积扩大至12.60 cm²时，其认证效率仍保持在10.74%，首次实现了量子点光伏组件效率突破10%门槛，远超文献报道的组件效率（约1.3%）。

图3. 低成本高性能全印刷组件标志量子点光伏技术从实验室走向产业化的重要跨越

此外，采用该导电量子点墨水的印刷工艺，其材料成本降至0.06 $/Wp，与主流商业硅基光伏（0.06–0.14 $/Wp）持平，且显著降低了生产过程中的能耗与环境负担，真正实现了“高性能—低成本—可规模化”的统一。

这项研究首次在量子点光伏领域提出通过溶液化学工程实现墨水体系稳定化的系统方法，为低成本、可扩展的量子点光电器件制造提供了新的思路。该策略不仅在光伏器件领域实现了效率与成本的双重突破，也为量子点发光、探测及传感等其他光电器件的低温可印刷制备提供了借鉴。

研究成果以“Overcoming efficiency and cost barriers for large-area quantum dot photovoltaics through stable ink engineering”为题发表于《Nature Energy》期刊（Nat. Energy, 2025, 10, 592–604）。《Nature Energy》编辑高度评价该工作，认为其系统解决了胶体量子点墨水长期存在的不稳定性与高成本难题，通过可扩展的低成本工艺实现了10%效率的大面积光伏组件，这标志着量子点电子器件向产业化迈出了关键一步（Nat. Energy 2025, 10, 547–548）。

2 主要作者简介

共同第一作者

史国钲博士，澳大利亚麦考瑞大学研究员。

拥有十余年量子点技术领域的系统研究经验，2019年获苏州大学物理学博士学位。博士后期间在苏州大学从事量子点导电墨水研究并取得突破性成果，曾赴日本电气通讯大学任访问研究员，现为澳大利亚麦考瑞大学研究员。研究成果发表于Nature、Nature Energy、Nature Synthesis、Nature Communications 等国际权威期刊，论文总被引超过3000次，H指数29。

共同第一作者

丁小波，苏州大学功能纳米与软材料研究院博士生。

导师是马万里教授/刘泽柯教授。研究主要集中在量子点太阳能电池的界面修饰和器件工程。

共同通讯作者

刘泽柯，苏州大学功能纳米与软物质研究院教授、博士生导师，国家高层次青年拔尖人才、姑苏青年领军人才。

长期从事红外半导体量子点/纳米晶的合成及其光电器件应用研究，以第一作者/通讯作者在Nat. Energy、Nat. Synthesis、Nat. Commun.、J Am. Chem. Soc.、Adv. Mater. 等期刊发表学术论文50余篇。入选首批博士后创新人才支持计划（全国200人），并获评2016-2020年博士后创新人才支持计划十大创新成果。

共同通讯作者

马万里，苏州大学功能纳米与软物质研究院教授、博士生导师，国家高层次科技创新领军人才、基金委优秀青年基金获得者。国家高技术研究发展计划（863计划）首席科学家。

师从诺贝尔化学奖获得者Alan Heeger教授、纳米领域的著名科学家 Paul Alivisatos教授。致力于新型太阳能电池基础及产业化研发，在量子点太阳能电池领域具有15年的研究基础，近五年在 Nat. Energy.、Nat. Synthesis.、Nat. Commun.、Joule等国际知名学术期刊发表论文200余篇。论文总引用次数超过27000次，单篇论文最高引用超过5000次。

3 原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41560-025-01746-4