多组分富勒烯复合材料的公斤级一步法合成，用于高效倒置钙钛矿太阳能电池

为何更好的太阳能薄膜重要

太阳能电池板正变得更便宜且更高效，但许多有前景的下一代设计在实际环境中仍难以维持多年寿命。本研究针对一种备受关注的太阳能技术——倒置钙钛矿太阳能电池，提出了解决方案。作者展示了一种巧妙设计的足球形碳分子（富勒烯）混合物，该混合物可在单次大规模工艺中制备，既能提高效率，又能显著延缓长期损伤——同时降低材料成本。

制造更智能的太阳能夹层

钙钛矿太阳能电池通过位于其他薄膜之间的一层薄晶体将光转为电能，这些薄膜负责将电荷输送进出器件。在倒置器件的“电子”一侧，这层辅助薄膜通常由单一类型的富勒烯（空心碳笼）制成。标准富勒烯层能有效提取电子，但在热和光作用下容易发生团聚。随着时间推移，这种团聚会打开带电原子穿透器件的通道，腐蚀金属电极并破坏钙钛矿。新工作用由三种相关富勒烯组分组成的复合薄膜取代了这种易损的单组分层，各组分协同解决了这些薄弱点。

一个大锅实现低成本生产

研究团队没有设计一种高度定制且需小批量纯化的分子，而是采用一种“一锅”反应，从普通的C60富勒烯和一种简单小分子出发。通过让反应在不同时间点停止，他们获得了可重复的混合物，包含未改性的C60以及带有一或两个反应性侧基的富勒烯分子。这种富勒烯复合材料可以在专用反应器中以公斤级制备，产率高达96%，无需常见的昂贵柱色谱分离步骤。成本分析表明，该材料应显著比常用商业化富勒烯PCBM便宜，从而更具工业化吸引力。

将分子锁入保护性网络

关键技巧是在将该复合薄膜温和加热至仅100°C时显现，这一温度是脆弱的钙钛矿层可以承受的。在这些条件下，两种富勒烯组分上的侧基相互连接，形成交联网络，将剩余的C60分子固定在位。测量显示，经此处理后，薄膜变得不溶、致密，并且比标准富勒烯层更疏水。显微和X射线测试在长期运行后表明，与会形成可见晶粒并触发钙钛矿失效的传统薄膜不同，交联复合膜保持平滑且致密。深度剖面研究进一步显示，该致密网络阻止迁移的离子到达银电极，防止腐蚀并保护下方的钙钛矿结构。

在缺陷沉默时帮助电荷移动

尽管被紧密锁定，富勒烯网络仍需高效传导电子。作者通过电学测试显示，新复合材料的电子导电性大约是PCBM薄膜的两倍。能级测量确认其相对于钙钛矿吸收层的位置仍然适合提取电子。光谱学研究表明，复合材料中的化学基团与钙钛矿表面的铅原子发生温和相互作用，修复本来会将能量以热耗散掉的电子“陷阱”。因此，使用该新层的器件表现出更少的缺陷、更快的电荷提取、更慢的电荷复合，以及更强的内建电场，有助于将电子和空穴分离。

从微小电池到小型太阳能组件

当将该交联复合材料用作电子传输层时，倒置钙钛矿电池的光电转换效率达到26.55%——高于使用PCBM的同等器件。在标准化的光照和加速热应力测试下，使用该新层的电池在1000小时后仍保持约96%的初始性能，而PCBM器件则损失约一半输出。该优势在不同钙钛矿成分（包括用于串联电池的宽带隙版本）以及从毫米级测试像素到1 cm²器件和14.4 cm²小型模块的不同尺寸上均成立。带有该复合层的较大模块不仅性能更好，在长时间运行中失效也更慢。

这对未来太阳能电池意味着什么

对非专业读者而言，关键结论是：作者通过重新构思一个支撑层，将一种高效但易损的太阳能技术变为更坚固、更易规模化的选择。他们的多组分富勒烯混合物易于大批量制备，在低温下自我锁定为致密的保护网络，同时仍能快速传导电子。该组合提高了效率、阻止了有害离子流动，并在长期内保持活性钙钛矿材料的完整性。如果在制造中被采用，这类复合层可能有助于将钙钛矿太阳能电池从实验室演示推向耐用的屋顶电池板和大面积组件。

引用: 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

关键词: 钙钛矿太阳能电池, 富勒烯复合材料, 电子传输层, 太阳能电池稳定性, 光伏材料