六角极化雪片状碳量子点通过静电反转实现低成本高效太阳能电池

针对有机太阳能电池（OSCs）活性层材料成本高昂（远超无机材料）的问题，本研究创新合成六角极化雪片状碳量子点（Six-SL-CQDs）。该材料通过静电反转增强供体-受体（D-A）相互作用，实现有序堆叠和有效激子解离，使太阳能电池（SCs）功率转换效率（PCE）达10.3%，长期稳定性T80超2078小时，成本仅～$18.07/g。这一突破解决了碳量子点（CQDs）作为活性层PCE低（仅1%）的瓶颈，推动低成本高效太阳能电池的实际应用。

　　

论文解读

太阳光转化为电能是能源领域的核心目标之一，有机太阳能电池（OSCs）凭借轻质、柔性和溶液加工性等优势，成为研究热点。近年来，OSCs的功率转换效率（PCE）已突破20%，但活性层使用的有机分子成本高昂（远高于硅或钙钛矿材料），且合成过程复杂，严重阻碍其实际应用。尽管努力降低成本，但精准原子设计和功能化需求使其难以实现突破。同时，碳量子点（CQDs）作为一种低成本、高稳定性和可溶液加工的碳纳米材料，被视为太阳能电池的潜力候选者。然而，传统CQDs因量子限域效应导致激子结合能强，作为活性层时PCE仅约1%，且其静电势（?）分布与电子供体相似，易产生静电排斥而非相互作用，限制了效率提升。因此，如何通过结构设计反转CQDs的静电势，增强供体-受体驱动，成为关键挑战。

针对上述问题，中国科学院化学研究所的研究团队在《Joule》期刊上发表论文，报道了一种六角极化雪片状碳量子点（Six-SL-CQDs）的创新合成。该材料由一个碳核（含19个苯环）和六个等效极化角组成，每个角通过苯环和六元环对称极化（氟原子和羰基修饰），实现了静电反转。研究证实，Six-SL-CQDs作为受体材料与供体分子PBDB-TF构建强D-A相互作用，显著提升激子解离和有序堆叠，最终使太阳能电池PCE达到10.3%，并具备超长稳定性。这一成果不仅打破CQDs的效率瓶颈，还以极低成本（～$18.07/g）为太阳能电池的规模化应用铺平道路。

在技术方法上，研究团队主要采用溶剂热合成法（以1,2-双(氰甲基)苯和3,4,5,6-四氟邻苯二甲酸为前驱体，在220°C下反应10小时），并通过水洗、透析和硅胶柱层析纯化Six-SL-CQDs（收率4%–6%）。表征技术包括高分辨透射电镜（HR-TEM）和X射线光电子能谱（XPS）分析形貌与化学组成，理论模拟静电势分布，以及器件性能测试（如电流密度-电压J-V曲线评估PCE，长期稳定性追踪T₈₀）。所有实验均在中国科学院化学研究所完成。

研究结果部分，小标题归纳如下：

• Synthesis and structural characterization of the Six-SL-CQDs：通过溶剂热法合成Six-SL-CQDs，HR-TEM和XPS