通过偶极富勒烯衍生物进行界面工程以实现高效锡卤化物室内光伏

用室内光为设备供能

想象一下你的烟雾探测器、智能恒温器和小型家居传感器在多年里无需更换电池——只靠普通室内照明中汲取的能量运行。本文探讨了一种构建紧凑型太阳能电池的新方法，该电池在柔和的室内光下表现出色，同时避免了在家用和办公电子设备中令人担忧的有毒铅。

为什么室内需要新的太阳能材料

传统的屋顶型太阳能电池是为强烈阳光设计的，并不适合昏暗的室内灯光。一类新兴材料——钙钛矿，可以调节以匹配室内光的色温和亮度，并可通过相对简单的溶液工艺制备。然而，许多高性能钙钛矿含有铅，这在广泛用于室内时带来安全隐患。基于锡的钙钛矿是有前景的、毒性更低的替代品，具有相似的光能捕获能力，并且在室内条件下理论极限效率甚至超过50%。但在实践中，它们的室内性能滞后，原因在于锡易被氧化并产生能量损失，同时器件内部界面处难以高效收集电荷。

在关键边界处的定制分子

作者通过聚焦一个关键内部边界来应对这些难题：锡钙钛矿吸光层与一种常见的电子传输材料C60（球形碳分子，“富勒烯”）之间的接触面。他们设计了一种名为TPPC的定制富勒烯衍生物，带有四条含氮“臂”和内置电偶极。计算与光谱学表明，TPPC能强烈吸附在钙钛矿表面，尤其是在锡和碘暴露的位点。这种相互作用像一层温和的化学屏障，减缓锡的氧化、减少缺陷，并使薄膜更致密、结晶性更好、针孔更少——所有这些都有助于降低太阳能电池的能量损失。

引导能量载流子朝正确方向移动

除了简单地保护表面外，TPPC还重塑了钙钛矿/C60界面的微小能量格局。由于其偶极，TPPC在能级上产生了一个小阶梯，形成电子从钙钛矿向C60移动的下坡级联。功函数和局部表面电势的测量表明，该处理有效加强了指向电子收集侧的内建电场。光学测试，包括光致发光和时间分辨发射，显示在有TPPC时电子被更快提取且能量损失更少。超快激光实验进一步表明，“热载流子”——在光吸收后短暂携带额外能量的电子——在冷却并将额外能量以热的形式散失之前，可以被更有效地利用。

从实验室概念到创纪录的室内性能

为评估该方法对实际器件的意义，团队制备了完整电池结构：玻璃/ITO、导电聚合物、锡钙钛矿、TPPC、C60、缓冲层和银电极。在1000勒克斯的暖白色室内LED光下——类似典型的室内照明——未经处理的锡钙钛矿电池的光电转换效率约为15%。加入TPPC界面层后，这一数值跃升至22.49%，输出功率密度大幅提升，创造了无铅室内钙钛矿器件的新基准。面积超过1平方厘米的较大电池在实验室中仍能接近18%的效率，独立认证测试中约为16%，表明该方法可扩展到超出微小测试像素的更大器件。

稳定性及其对日常设备的意义

室内太阳能电池不仅要高效，还要在多年运行中保持稳定。封装后的TPPC处理器件在模拟室内光下连续运行2000多小时后仍保持约91%的初始效率，在数百小时的加热测试后保持约90%。进一步的电学测量显示电荷传输更快、陷阱更少、钙钛矿内部离子迁移减少，所有这些都促成了寿命的延长。通俗地说，新的TPPC分子帮助太阳能电池从每个光子中提取更多有用能量，并更长时间保持这种性能。

让光供能电子设备更接近现实

对非专业读者来说，主要结论是：在基于锡的钙钛矿太阳能电池的一个内部边界处精心设计的分子“桥”可以显著改善其在日常室内照明下的工作表现。通过保护材料、引导高能载流子朝正确方向移动并减少能量损失，TPPC层将无铅室内太阳能电池的效率推向并开始媲美甚至超过许多含铅方案。这类界面工程有望加速免维护、以光为能源的传感器和小型设备的到来，让它们悄然从灯光和屏幕的微光中收获能量。

引用: Xiao, H., Cui, E., Wang, J. et al. Interfacial engineering via dipolar fullerene derivative for efficient tin halide perovskite indoor photovoltaics. Nat Commun 17, 1908 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68719-3

关键词: 室内光伏, 锡钙钛矿, 富勒烯界面, 热载流子动力学, 无铅太阳能电池