碱性处理增强钙钛矿量子点导电覆盖层实现18.3%认证效率太阳能电池

针对传统酯类反溶剂在常温下水解效率低、难以在钙钛矿量子点（PQD）表面形成完整导电覆盖层的问题，研究人员开发了碱增强反溶剂水解（AAAH）策略。通过构建碱性环境促进原始绝缘油酸配体与水解导电配体的快速取代，理论计算表明该策略使酯水解热力学自发且活化能降低约9倍。采用氢氧化钾耦合苯甲酸甲酯反溶剂进行PQD固体层间冲洗，使组装的光吸收层陷阱态减少、取向均一、颗粒团聚最小化，最终制备的太阳能电池（0.036 cm2）获得18.3%的认证效率（稳态效率17.85%），创造了PQD太阳能电池的最高纪录，并显著提升了器件稳定性。

　　

钙钛矿量子点（Perovskite Quantum Dots, PQDs）因其可调带隙、高光吸收系数和缺陷容忍度等优异特性，在下一代光伏技术中展现出巨大潜力。特别是铯/甲脒铅碘（Cs/FA PbI?）PQDs，其带隙接近Shockley-Queisser理论极限值（约1.34 eV），被认为是实现高效太阳能电池的理想材料。然而，PQDs的实际应用仍面临一个关键挑战：在层间冲洗过程中，传统的酯类反溶剂（如甲基乙酸酯）在环境条件下水解效率低下，难以有效取代PQDs表面原始的长链绝缘配体（如油酸，OA），导致表面形成大量空位缺陷，电荷传输受阻，并引发颗粒团聚，最终降低器件效率和稳定性。

为了解决这一问题，华北电力大学李美成教授团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究。他们开发了一种称为碱增强反溶剂水解（Alkali-Augmented Antisolvent Hydrolysis, AAAH）的新策略，通过构建碱性环境显著促进酯类反溶剂的水解，从而在PQDs表面实现更完整、更导电的配体覆盖。该研究不仅实现了高达18.3%的认证效率——这是目前PQD太阳能电池（PQDSCs）的最高纪录，还显著提升了器件的存储和运行稳定性。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：首先通过合成后阳离子交换制备了FA?.??Cs?.??PbI? PQDs；利用密度泛函理论（DFT）计算评估配体结合能和反应能垒；通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、核磁共振（NMR）和X射线光电子能谱（XPS）分析表面配体状态；采用荧光寿命映射（TRPL）和热导纳谱（tDOS）表征载流子动力学；借助掠入射广角X射线散射（GIWAXS）和原子力显微镜（AFM）分析薄膜微观结构和形貌；最终组装了ITO/SnO?/PQDs/Spiro-OMeTAD/Au结构的太阳能电池器件，并进行了光电性能与稳定性测试。

Neat ester antisolvent rinsing of PQD solids

研究团队首先评估了多种酯类反溶剂（包括甲基苯甲酸酯，MeBz）对PQD固体薄膜的冲洗效果。结果显示，极性适中的MeBz能较好保持PQD结构完整性，并显著提高薄膜电导率。然而，仅使用纯MeBz冲洗仍以原始OA配体的直接解离为主，而非有效取代，导致表面缺陷较多，器件效率有限。

Ligand exchange of PQDs based on alkali-augmented antisolvent hydrolysis

通过向MeBz中添加碱性物质（如KOH），研究团队成功构建了碱性环境，使酯水解反应的热力学自发性和动力学速率大幅提升。理论计算表明，碱性环境下MeBz水解的活化能（E_a）降低了约9倍（从53.427 kcal mol?1降至6.048 kcal mol?1）。实验证实，MeBz/KOH处理后的PQDs表面获得了多达传统方法2倍的苯甲酸（BZA）短配体，有效减少了表面空位缺陷，提升了载流子寿命和薄膜均匀性。

Photovoltaic performance of PQDSCs

基于AAAH策略制备的PQDSCs实现了18.37%的最高效率（认证效率18.30%），其开路电压（V_OC）和填充因子（FF）均显著提升。器件还表现出较低的迟滞效应和更好的稳定性——在30天储存后仍保持82%的初始效率，在连续光照400小时后效率损失仅10%。

Microphysical and optoelectronic properties of PQD light-absorbing layers

微观表征显示，AAAH处理的PQD薄膜具有更均匀的晶体取向、更低的表面粗糙度和更少的颗粒团聚。Kelvin探针力显微镜（KPFM）表明表面电位分布更均匀，荧光寿命映射证实陷阱辅助复合显著抑制。

Charge carrier extraction and recombination dynamics within PQDSCs

空间电荷限制电流（SCLC）和电化学阻抗谱（EIS）分析表明，AAAH策略大幅降低了陷阱密度（N_trap从3.26×101? cm?3降至1.9×101? cm?3），增强了电子迁移率（μ_e从0.73×10?? cm2 V?1 s?1提升至2.85×10?? cm2 V?1 s?1），并提高了复合电阻（R_rec），从而优化了电荷提取与传输效率。

该研究通过AAAH策略成功解决了PQD表面配体交换不充分的长期难题，不仅实现了创纪录的光电转换效率，还证明了该策略在不同PQD组分和固态处理中的普适性。研究成果为钙钛矿量子点表面化学调控提供了新思路，对推动高性能、稳定量子点光电器件的开发具有重要意义。