Одношаговый килограмм‑масштабный синтез многокомпонентных фуллереновых композитов для эффективных инвертированных перовскитных солнечных элементов

Почему важны лучшие солнечные плёнки

Солнечные панели становятся дешевле и эффективнее, но многие перспективные конструкции следующего поколения по‑прежнему не выдерживают годы эксплуатации в реальных условиях. В этой работе решается эта проблема для одного из многообещающих направлений — инвертированных перовскитных солнечных элементов. Авторы показывают, как продуманная смесь «футбольных мячей» из углеродных молекул, получаемая в одном крупномасштабном процессе, одновременно повышает эффективность и существенно тормозит долговременное разрушение этих элементов — при этом снижая стоимость материалов.

Создание более разумного «сэндвич‑слоя»

Перовскитные солнечные элементы преобразуют свет в электричество с помощью тонкого кристаллического слоя, зажатого между вспомогательными плёнками, которые отводят заряды. На «электронной» стороне инвертированных устройств такой вспомогательный слой обычно выполняют из одного типа фуллерена — полого углеродного каркаса. Стандартные фуллереновые слои хорошо извлекают электроны, но при нагреве и освещении они склонны к агрегации. Со временем это образование сгустков открывает пути для утечки заряженных атомов через устройство, что приводит к коррозии металлических контактов и разрушению перовскита. Новая работа заменяет уязвимый одно‑компонентный слой композитной плёнкой, содержащей три родственных вида фуллеренов, которые взаимодополняют друг друга и устраняют эти слабые места.

Один большой реактор для недорогого производства

Вместо разработки одной сильно модифицированной молекулы и её последующей очистки малыми партиями, команда использует «one‑pot» реакцию, стартующую из обычного фуллерена C60 и простого маломолекулярного реагента. Различая время протекания реакции, они получают воспроизводимую смесь немодифицированного C60 и фуллеренов с одной или двумя реакционноспособными боковыми группами. Этот фуллереновый композит можно синтезировать в килограммовых масштабах в специализированном реакторе с выходом до 96 процентов, без дорогостоящих колонных стадий разделения. Анализ затрат показывает, что полученный материал должен быть значительно дешевле широко используемого коммерческого фуллерена PCBM, что делает его привлекательным для промышленного производства.

Фиксация молекул в защитной сети

Ключевой приём проявляется при аккуратном нагреве композитной плёнки до примерно 100 °C — температуры, которую деликатный перовскит выдерживает безопасно. При этих условиях боковые группы двух компонентов фуллерена сцепляются между собой, формируя сшитую сеть, которая закрепляет оставшиеся молекулы C60 на месте. Измерения показывают, что после такой обработки плёнка становится нерастворимой, плотнее и более водоотталкивающей по сравнению со стандартными фуллереновыми слоями. Микроскопия и рентгеновские тесты после длительной работы демонстрируют, что в отличие от обычных плёнок, образующих видимые зерна и вызывающих разрушение перовскита, сшитый композит остаётся гладким и компактным. Глубинный профиль дополнительно свидетельствует, что эта плотная сеть препятствует миграции ионов к серебряному электроду, предотвращая коррозию и сохраняя структуру подстилающего перовскита.

Путь для зарядов при тишине дефектов

Несмотря на плотную фиксацию, фуллереновая сеть должна эффективно проводить электроны. Авторы с помощью электрических измерений показывают, что новый композит проводит электроны примерно вдвое лучше, чем слои PCBM. Измерения энергетических уровней подтверждают, что его положение относительно перовскитного поглотителя остаётся оптимальным для извлечения электронов. Спектроскопические исследования показывают, что химические группы в композите мягко взаимодействуют с атомами свинца на поверхности перовскита, «залечивая» электронные ловушки, которые в противном случае теряли бы энергию в виде тепла. В результате устройства с новым слоем демонстрируют меньше дефектов, более быстрое отведение зарядов, замедленную рекомбинацию и более сильное внутреннее электрическое поле, которое эффективнее разносит электроны и дырки.

От крошечных ячеек до мини‑солярных модулей

При использовании этой сшитой композитной плёнки в качестве слоя переноса электронов инвертированные перовскитные элементы достигают коэффициента преобразования мощности 26,55 процента — выше, чем у иначе идентичных устройств с PCBM. В стандартизированных тестах на световое и тепловое воздействие элементы с новым слоем сохраняют примерно 96 процентов исходной производительности через 1000 часов, тогда как устройства с PCBM теряют около половины выходной мощности. Преимущества сохраняются для разных составов перовскитов, включая широкозонные варианты для тандемных стеков, и на размерах от миллиметровых тест‑пикселей до устройств 1 см² и мини‑модулей 14,4 см². Более крупные модули с композитным слоем не только работают лучше, но и выходят из строя значительно медленнее при длительной эксплуатации.

Что это значит для будущих солнечных панелей

Для неспециалистов главный вывод таков: авторы превратили хрупкую, но эффективную солнечную технологию в более прочный и масштабируемый вариант, переосмыслив одну вспомогательную плёнку. Их многокомпонентная смесь фуллеренов проста в масштабном производстве, при низкой температуре самофиксируется в плотную защитную сеть и при этом остаётся способной эффективно проводить электроны. Такое сочетание повышает эффективность, блокирует вредную миграцию ионов и сохраняет активный перовскитный материал со временем. При внедрении в производство подобные композитные слои могут помочь переместить перовскитные солнечные элементы от лабораторных демонстраций к долговечным крышным панелям и крупноформатным модулям.

Цитирование: Hou, E., Cheng, S., Kong, S. et al. Kilogram-scale one-pot synthesis of multicomponent fullerene composites for efficient inverted perovskite solar cells. Nat Commun 17, 3833 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70022-0

Ключевые слова: перовскитные солнечные элементы, фуллереновый композит, слой переноса электронов, стабильность солнечных элементов, фотоэлектрические материалы