通过太阳能直接转换为电能一直以来都是能源领域的热点研究方向。有机太阳能电池（OSCs）具有其轻质、柔性、可溶液加工及半透明等技术优势。近年来，随着新型有机材料的持续研发与器件结构的不断优化，OSCs的光电转换效率（PCE）已突破了20%，显示出良好的发展潜力。然而，其活性层中有机分子普遍存在结构复杂、合成工艺繁琐等问题导致材料成本居高不下，严重制约了OSCs在工业规模上的实际应用。
碳量子点（CQDs）作为一种新兴的碳基纳米材料，具备成本低、能级可调、光热稳定性优异以及易于功能化等技术特点，近年来被广泛用作太阳能电池（SCs）中的界面层或钝化剂，以提升器件性能与长期稳定性。张洋、范楼珍老师团队长期致力于CQDs的结构设计并系统研究了其光电特性、构效关系及在光电器件中的应用。此前，通过调控CQDs的生长方向，首次实现了CQDs单独作为活性层在SCs中的应用（Adv. Sci., 2024, 11, 2400817）。然而，受限于量子限域效应所导致的强激子束缚能，目前以CQDs为活性层材料的SCs器件效率仍普遍较低，PCE仅约为1%。因此，如何提高CQDs材料的激子分离效率以实现更高的光电转换效率已成为大幅提升SCs器件性能的关键科学问题。
张洋、范楼珍老师团队通过材料结构设计，合成了一种具有六边形对称性的雪花状碳量子点（Six-SL-CQDs），制备成本仅为约18.07美元/克，仅为当前商用受体材料（如PCBM、ITIC和Y6）价格的五百分之一，显著降低了SCs器件活性层的材料成本。在Six-SL-CQDs的顶角引入吸电子官能团，有效诱导分子极化，实现了碳核与边缘位置静电势的反转分布，不仅显著增强了CQDs与给体分子之间的弱相互作用，同时促进了分子的有序堆叠，实现了高效的激子解离。基于Six-SL-CQDs作为活性层材料所制备的SCs器件，其最高PCE已经达到10.3%，并展现出优异的器件稳定性，在持续运行2078小时后仍能维持80%以上的初始性能。该项研究推进了环境友好、低成本、高光电转换效率的CQDs材料在光伏领域的实际应用。
图1 基于CQDs构筑的低成本高性能SCs器件
该工作近期在《Joule》上发表，论文第一作者为2021级石钰鑫博士和王建邱博士，通讯作者为张洋副教授、范楼珍教授和中国科学院化学研究所侯剑辉研究员，第一完成单位为色情直播 。感谢国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的经费支持。
论文链接：//www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00194-1
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