太阳电池是大规模开发和利用太阳能的关键技术，钙钛矿太阳电池凭借高效率、带隙灵活可调、可柔性应用等优势，被视作最具潜力的新型光伏技术之一。然而，面向商业化应用，其效率和稳定性仍受关键材料与制备技术的制约。一方面，三维（3D）钙钛矿太阳电池的空穴传输层以有机半导体为代表，其高导电性与能级结构依赖掺杂以及不稳定的复杂氧化过程，严重影响高效电池的稳定性。另一方面，零维（0D）钙钛矿太阳电池的光吸收层由0D钙钛矿量子点构成，量子点表面长链绝缘配体限制其性能提升，同时水氧环境会引发量子点团聚与相分离，加速电池性能衰减。针对上述核心科学问题，亟需发展面向两类钙钛矿太阳电池的高效稳定调控策略，兼顾高效电荷输运与环境稳定，为推动其实用化进程提供理论与技术基础。

李美成教授课题组针对有机半导体空穴传输层的掺杂难题，提出“电解掺杂”策略，以电子/空穴作为“氧化还原剂”构建电解体系，在阳极将有机半导体氧化为离子自由基，在阴极将Li离子还原为金属Li，实现掺杂量的精准调控与迁移离子的同步去除。采用电解掺杂Spiro的正式电池实现26.16%的效率，储存5000小时后仍保持初始效率的97%；电解掺杂PTAA的反式电池效率达25.57%，在标准太阳光下连续工作1400小时保持初始效率的91%。该成果提出了一种广泛适用于多种有机半导体材料的创新掺杂策略，实现钙钛矿太阳电池效率和稳定性的双重突破。

针对钙钛矿量子点配体调控难题，提出“构筑碱性环境增强酯类反溶剂水解”的配体交换策略：通过定制的氢氧化钾-苯甲酸甲酯耦合体系，在量子点固体层间冲洗过程中快速原位生成大量目标短配体。该策略反应活化能降低约9倍，降低了光吸收层缺陷密度、提升取向均一性、抑制团聚，最终实现0D钙钛矿太阳电池18.3%认证效率，这是当前国际上已发表钙钛矿量子点太阳电池最高认证效率。

有机半导体空穴传输材料掺杂机制（a）与碱性环境增强酯反溶剂水解机制（b）示意图

2025年9月，相关研究成果分别以“Controllable electrolysis doping of organic semiconductors for stable perovskite solar cells”与“Enriching conductive capping by alkaline treatment of perovskite quantum dots towards certified 18.3%-efficient solar cells”发表在国际顶级期刊Joule与Nature Communications上。论文的唯一通讯作者为新能源电力系统全国重点实验室李美成教授，新能源电力系统全国重点实验室为论文唯一通讯单位。

该研究工作得到了国家自然科学基金重点项目和青年项目、国家重点研发计划课题、北京市自然科学基金重点研究课题等项目资助，论文的表征及测试得到了南京邮电大学许立刚老师、华北电力大学和清华大学的分析测试中心的支持。

Reference：

[1] H. Huang, Z. Lan, Y. Yang, H. Yan, M. Wan, Y. Lu, S. Qu, T. Jiang, C. Sun, B. Liu, P. Cui and M. Li, "Controllable electrolysis doping of organic semiconductors for stable perovskite solar cells" Joule, 2025, 1021062025. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435125002879.

[2] D. Jia, J. Li, K. Zhu, H. Qiu, L. Li, X. Zhao, Z. Lan, H. Yan, F. Yang, P. Cui, X. Sun, H. Li, P., S. Liu and M. Li, "Enriching conductive capping by alkaline treatment of perovskite quantum dots towards certified 18.3%-efficient solar cells" Nature Communications, 2025, 16, 8612. https://www.nature.com/articles/s41467-025-63618-5.

 

初审：李美琪

复审：张洪

终审：彭跃辉