華僑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的田成波、魏展畫教授團隊發(fā)表評述文章，聚焦富勒烯材料的不同功能，系統(tǒng)梳理了其在提升錫基鈣鈦礦太陽能電池性能方面的研究進(jìn)展，并對未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

近年來, 得益于鈣鈦礦材料光吸收系數(shù)高、帶隙可調(diào)、激子結(jié)合能低以及可溶液制備等一系列優(yōu)點, 有機-無機鹵化物鈣鈦礦太陽能電池被廣泛研究并迅速發(fā)展. 在短短十幾年內(nèi), 鈣鈦礦太陽能電池最高光電轉(zhuǎn)換效率已從3.8%迅速提升至26.7%,成為第三代新型光伏技術(shù)的代表之一.

然而, 目前高效鈣鈦礦太陽能電池的研究都是基于鉛基鈣鈦礦這種含鉛的材料一旦投入商業(yè)化應(yīng)用, 其生產(chǎn)、運輸、儲存和使用等諸多過程均存在泄露的風(fēng)險, 進(jìn)而造成生物危害和環(huán)境污染問題. 為了尋找綠色替代方案，科學(xué)家們將目光投向了鉛的“同族兄弟”——錫。

錫基鈣鈦礦

錫與鉛擁有相似的原子結(jié)構(gòu)，這使得錫基鈣鈦礦天生就具備諸多優(yōu)秀的光電特質(zhì)：高載流子遷移率、高光吸收系數(shù)，以及更接近理論最佳值的窄帶隙（約1.34eV）。理論上，錫基鈣鈦礦太陽能電池的效率有望突破33%，潛力巨大。

然而，目前錫基鈣鈦礦電池的最高認(rèn)證效率僅為15.7%，遠(yuǎn)低于其理論極限，也落后于鉛基對手。這背后隱藏著三大“攔路虎”：

• “閃電”結(jié)晶，薄膜質(zhì)量差：Sn2?具有更強的Lewis酸性，導(dǎo)致其與有機銨鹽的反應(yīng)過快，鈣鈦礦薄膜來不及形成均勻致密的晶體結(jié)構(gòu)。

• “易氧化”體質(zhì)，穩(wěn)定性堪憂：與Pb的6s2惰性電子對不同，錫基鈣鈦礦中的Sn2?極易被氧化為Sn??。這種氧化不僅破壞器件性能，生成的Sn??還會像催化劑一樣加速整個材料的分解，陷入“自催化”的惡性循環(huán)。

• 能級錯位，缺陷重重：錫基鈣鈦礦的能帶位置天生比鉛基的高。這導(dǎo)致兩個后果：一是Sn-I鍵更容易斷裂，形成大量的錫空位缺陷，引發(fā)嚴(yán)重的p型自摻雜（背景載流子濃度可高達(dá)101? cm?3以上），加劇內(nèi)部載流子復(fù)合；二是其高位置的導(dǎo)帶與常用的電子傳輸材料（如富勒烯）能級不匹配，造成界面處的能量損失，直接影響電池的開路電壓。

富勒烯：破局的關(guān)鍵？

面對錫基鈣鈦礦的重重困境，富勒烯進(jìn)入了研究者的視野。這種由sp2雜化碳原子構(gòu)成的籠狀分子，不僅天生具備高電子遷移率和缺陷鈍化的能力，更妙的是，還能通過打開具有雙鍵特性的[6,6]鍵加成多種不同的功能基團, 以獲得具備各種特定功能的富勒烯衍生物材料, 因此被廣泛用于錫基鈣鈦礦電池領(lǐng)域以改善上述問題.

富勒烯是由sp2雜化碳原子組成的封閉籠狀碳簇分子(圖1(f)), 其不僅具備高電子遷移率和缺陷鈍化性能, 還能通過打開具有雙鍵特性的[6,6]鍵加成多種不同的功能基團, 以獲得具備各種特定功能的富勒烯衍生物材料, 因此被廣泛用于錫基鈣鈦礦電池領(lǐng)域以改善上述問題. 基于此, 本文綜述了近年來新型功能化富勒烯衍生物材料用于改善錫基鈣鈦礦太陽能電池性能方面的研究進(jìn)展, 并根據(jù)其應(yīng)用方式進(jìn)行了分類討論. 最后, 總結(jié)了該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀, 并展望了未來功能化富勒烯材料的開發(fā)與設(shè)計方向.

展望未來

(1) 富勒烯界面修飾: 使用有機鹵化物銨鹽進(jìn)行鈣鈦礦表面鈍化已成為鉛基鈣鈦礦電池的基礎(chǔ)工藝之一, 但由于這些銨鹽所使用的溶劑會溶劑錫基鈣鈦礦, 因此無法直接推廣用于錫基鈣鈦礦電池. 而通常使用甲苯、氯苯等作為溶劑的功能化富勒烯材料, 不僅不會破壞錫基鈣鈦礦, 還可以通過優(yōu)化取代基的種類和數(shù)量, 實現(xiàn)高效的鈍化作用, 從而抑制非輻射復(fù)合以實現(xiàn)高開路電壓.

(2) 基于富勒烯進(jìn)行能級調(diào)控: 錫基鈣鈦礦與常用的電子傳輸材料間的能級失配也是造成器件較大開路電壓損失的重要因素之一. 因此, 在設(shè)計合成具有更強鈍化作用的功能化富勒烯材料時, 還需兼顧其能級是否合適. 從而可以通過體相摻雜、界面修飾或直接作為電子傳輸材料等方式引入錫基鈣鈦礦器件, 以改善其能級失配問題, 進(jìn)一步提升器件性能.

(3) 功能化富勒烯材料的聯(lián)用: 目前已報道的基于功能化富勒烯材料優(yōu)化錫基鈣鈦礦電池性能的工作, 通常通過比較單一富勒烯材料引入前后的性能變化, 以明確材料本身對于器件性能的具體影響, 而對照組器件本身采用的器件結(jié)構(gòu)則較為基礎(chǔ). 為了進(jìn)一步實現(xiàn)錫基鈣鈦礦電池的效率突破, 未來可能需要在器件的不同功能層聯(lián)用多種功能化富勒烯材料以協(xié)同解決錫基鈣鈦礦的各類問題.

圖1錫基鈣鈦礦與富勒烯的結(jié)構(gòu)與性能. (a) ABX3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 單節(jié)電池的Shockley-Queisser效率極限圖; (c)錫原子與鉛原子的電子構(gòu)型對比示意圖; (d) MAPbI3與MASnI3的能級對比; (e) 錫基鈣鈦礦的晶體缺陷及空位示意圖; (f) 功能化富勒烯的結(jié)構(gòu)與優(yōu)勢

圖2富勒烯體相摻雜劑. (a) C60-RNH3-X的分子結(jié)構(gòu)(X=Cl、Br或I)及其改善鈣鈦礦晶界電荷傳輸?shù)氖疽鈭D; (b) C60Cl6提高器件性能的原理示意圖; (c) PTEG-1與錫基鈣鈦礦相互作用的示意圖; (d) CPPF和TPPF的結(jié)構(gòu)及其器件的J-V曲線

圖3富勒烯界面層. (a) C60-BPy的合成路線以及鈣鈦礦和C60(或C60-BPy)之間界面相互作用的示意圖; (b)多齒富勒烯在鈣鈦礦薄膜上的計算結(jié)構(gòu)模型和吸附能(Eads)

圖4富勒烯電子傳輸層. (a) C60-MP、C60-ETPA的分子結(jié)構(gòu)及其器件和基于PCBM的器件的J-V曲線; (b) ICBA、PCBM與錫基鈣鈦礦等的能級排列示意圖; (c) 基于ICBA和 PCBM的最佳器件的J-V曲線; (d)基于不同二取代富勒烯異構(gòu)體的J-V曲線; (e)鈣鈦礦和PCBM、OC和

文章信息

孫超, 邢益銘, 張蕙, 陳珊珊, 田成波, 魏展畫. 功能化富勒烯在錫基鈣鈦礦太陽能電池中的研究進(jìn)展. 科學(xué)通報, 2026, 71(2): 411–420

Sun C, Xing Y, Zhang H, Chen S S, Tian C B, Wei Z H. Research progress on func-tionalized fullerenes in tin-based perovskite cells (in Chinese). Chin Sci Bull, 2026, 71(2): 411–420, doi: 10.1360/TB-2024-1360

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