研究背景
鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化效率和低成本潛力，已經(jīng)在光伏領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的硅基太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池具有更高的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）和更低的生產(chǎn)成本，且其可調(diào)光學(xué)性質(zhì)和柔性特性使其在建筑一體化光伏（BIPV）等新興應(yīng)用中具有巨大的潛力。
然而，盡管鈣鈦礦太陽能電池在實(shí)驗(yàn)室中取得了顯著進(jìn)展，仍面臨穩(wěn)定性差、環(huán)境敏感性強(qiáng)等問題，尤其是在長期工作過程中，鈣鈦礦層易受到水分、氧氣以及熱量的影響，從而影響電池的穩(wěn)定性和耐用性。這些問題給鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
針對這一挑戰(zhàn)，西安交通大學(xué)梁超研究員、蔡文婷研究員、楊濤研究員、楊生春教授，河南大學(xué)李萌教授、澳門大學(xué)邢貴川教授合作在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“A Nd@C82-polymer interface for efficient and stable perovskite solar cells”的最新論文。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種磁性內(nèi)球金屬富勒烯Nd@C82-聚合物耦合層，旨在解決鈣鈦礦太陽能電池中電子提取和離子擴(kuò)散的問題。通過結(jié)合超快電子提取和原位封裝特性，該耦合層能夠有效地抑制離子擴(kuò)散，促進(jìn)均勻的電子提取，從而大幅度提高了電池的性能和穩(wěn)定性。
研究結(jié)果表明，采用Nd@C82-聚合物耦合層的倒置鈣鈦礦太陽能電池在0.08平方厘米和16平方厘米（模塊）孔徑面積下，分別實(shí)現(xiàn)了26.78%（認(rèn)證26.29%）和23.08%的PCE。此外，未封裝的器件在65°C下連續(xù)運(yùn)行2,500小時后，仍保持了約82%的初始PCE，顯示出良好的穩(wěn)定性。
研究亮點(diǎn)
1.實(shí)驗(yàn)首次提出采用磁性內(nèi)球金屬富勒烯（Nd@C82）-聚合物耦合層用于鈣鈦礦太陽能電池（PSC），并成功實(shí)現(xiàn)了超快電子提取和原位封裝，解決了傳統(tǒng)聚合物界面對電子提取和離子擴(kuò)散的負(fù)面影響。
2.實(shí)驗(yàn)通過引入Nd@C82-聚合物耦合層，在倒置結(jié)構(gòu)PSCs中，優(yōu)化了電子提取過程，并抑制了離子擴(kuò)散。結(jié)果表明，使用該耦合層的PSCs達(dá)到了26.78%的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）（認(rèn)證26.29%），且在模塊尺寸為16平方厘米時，PCE為23.08%。
3.實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步測試了該Nd@C82-聚合物耦合層的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)未封裝的設(shè)備在65°C下進(jìn)行1太陽最大功率點(diǎn)跟蹤操作2,500小時后，保持了約82%的初始PCE，顯示出優(yōu)異的長時間穩(wěn)定性。
4.該研究表明，Nd@C82-聚合物耦合層不僅提升了電子提取效率，還提供了優(yōu)異的內(nèi)部封裝作用，有效增強(qiáng)了PSCs的耐久性和穩(wěn)定性，為高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化提供了新的技術(shù)路徑。
圖文解讀
圖1：Nd@C82-PMMA耦合層的分子結(jié)構(gòu)和電子特性
圖2：Nd@C82-PMMA耦合層對鈣鈦礦薄膜的電子和光學(xué)特性影響
圖3：Nd@C82-PMMA耦合層對載流子傳輸?shù)钠胶庾饔?/span>
圖4：Nd@C82基鈣鈦礦太陽能電池的光電性能和穩(wěn)定性
結(jié)論展望
本研究的起點(diǎn)源于這樣一個觀點(diǎn)：Nd離子在富勒烯籠中的動態(tài)運(yùn)動以及強(qiáng)烈的Nd-籠相互作用能夠促進(jìn)超快分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移（ET）。這一現(xiàn)象預(yù)計(jì)能夠創(chuàng)造出縮短的分子內(nèi)轉(zhuǎn)移通道和電磁耦合傳輸器。因此，我們專注于通過開發(fā)基于Nd的內(nèi)球金屬富勒烯電子選擇性層（ESL），實(shí)現(xiàn)倒置鈣鈦礦太陽能電池（PSC）中鈣鈦礦/電子傳輸層（ETL）界面的均勻超快電子提取。內(nèi)球金屬富勒烯-聚合物耦合ESL（Nd@C82-PMMA）不僅展示了超快載流子提取，還增強(qiáng)了穩(wěn)定性。
這一改進(jìn)通過Nd@C82界面產(chǎn)生的永久強(qiáng)電場實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)了高效的載流子分離和提取，而PMMA的交織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步抑制了離子擴(kuò)散。載流子提取不足引起的復(fù)合反應(yīng)得到減少，從而使得倒置PSCs及其模塊在效率、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性方面得到了顯著提高。我們相信，內(nèi)球金屬富勒烯-聚合物耦合ESL結(jié)合先進(jìn)的大面積沉積技術(shù)的策略，對于其他鈣鈦礦基設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用具有普遍的適用性。
原文詳情：
Lin, Y., Lin, Z., Lv, S. et al. A Nd@C82-polymer interface for efficient and stable perovskite solar cells. Nature (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-025-08961-9
