近年来，作为光伏领域的新兴技术，钙钛矿太阳能电池以优异的光电转化效率和低温溶液加工特性，被视为下一代光伏技术的战略制高点。然而，如何在保持高转换效率的同时，确保电池的长期稳定性，始终是制约钙钛矿太阳能电池商业化应用的重大挑战。
针对这一问题，西安交通大学梁超研究员、蔡文婷研究员、杨涛研究员、杨生春教授，河南大学李萌教授、澳门大学邢贵川教授合作在“Nature”期刊上发表了题为“A Nd@C82-polymer interface for efficient and stable perovskite solar cells”的最新论文。该团队设计并制备了一种磁性内球金属富勒烯Nd@C82-聚合物耦合层，旨在解决钙钛矿太阳能电池中电子提取和离子扩散的问题。通过结合超快电子提取和原位封装特性，该耦合层能够有效地抑制离子扩散，促进均匀的电子提取，从而大幅度提高了电池的性能和稳定性。
研究结果表明，采用Nd@C82-聚合物耦合层的倒置钙钛矿太阳能电池在0.08平方厘米和16平方厘米（模块）孔径面积下，分别实现了26.78%（认证26.29%）和23.08%的PCE。此外，未封装的器件在65°C下连续运行2,500小时后，仍保持了约82%的初始PCE，显示出良好的稳定性。
该研究成果以《Nd@C82-聚合物界面应用于高效稳定钙钛矿太阳能电池》（“A Nd@C82-polymer interface for efficient and stable perovskite solar cells”）为题于4月8日在《自然》（Nature）期刊上在线发表。西安交通大学物理学院博士研究生林越辛、水源、朱文静，西安交通大学化学学院硕士研究生吕世丽，福建农林大学林智超博士为论文共同第一作者；物理学院梁超研究员、杨生春教授、杨涛研究员，化学学院蔡文婷研究员（丁书江教授团队），澳门大学邢贵川教授，河南大学李萌教授为论文通讯作者；西安交通大学物理学院为本论文第一完成单位。论文得到了西安交通大学分析测试中心在材料结构测试与分析方面提供的大力支持，特别是郭航、梁艳、周国庆和张杨提供了相关表征和分析支持。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、西安交通大学青年拔尖人才支持计划和中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。
图1 内嵌金属富勒烯Nd@C82-聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）耦合层助力超快电子提取和离子扩散抑制。（a）C60，Nd@Cs(6)-C82，以及Nd@C2v(9)-C82的分子结构以及相应的电子局域化函数（ELF）。（b）钙钛矿/富勒烯的电荷密度差分布（CDD）。（c）计算出的不同富勒烯电子电导率。（d）具有Nd@C82-PMMA耦合层的倒置钙钛矿太阳能电池（PSC）的器件结构示意图。（e）横截面飞行时间二次离子质谱图。
图2 具有Nd@C82-PMMA耦合层钙钛矿薄膜的电学和光学性质。（a-c）钙钛矿薄膜、钙钛矿/C60薄膜和钙钛矿/Nd@C82/C60薄膜的表面电势图。（d-f）钙钛矿薄膜、钙钛矿/C60薄膜和钙钛矿/Nd@C82/C60薄膜的表面电势变化。（g-i）钙钛矿薄膜、钙钛矿/C60薄膜和钙钛矿/Nd@C82/C60薄膜的光致发光扫描成像图。
图3 Nd@C82-PMMA耦合层用于平衡电荷载流子传输。（a）钙钛矿薄膜、对照组薄膜（钙钛矿/C60）和Nd@C82（钙钛矿/Nd@C82/C60）薄膜的光致发光光谱图。（b）钙钛矿薄膜、对照组薄膜（钙钛矿/C60）和Nd@C82（钙钛矿/Nd@C82/C60）薄膜的时间分辨荧光光谱图。（c）钙钛矿/C60薄膜、钙钛矿/自组装单层（SAM）薄膜、钙钛矿/Nd@C82/C60薄膜的时间分辨荧光光谱图。（d）钙钛矿和电子传输层之间的能带排列。（e-f）能带排列示意图。
图4 基于Nd@C82制备器件的光伏性能。（a）最优的对照组和基于Nd@C82制备器件的J-V曲线。（b）从J-V曲线中获得的光电转换效率值的统计数据。（c）基于Nd@C82制备的最优模组的J-V曲线。（d）最优模组的最大功率点输出曲线。（e）基于ISOS-D-2I测试协议下器件的稳定性。（f）基于ISOS-L-3测试协议下器件的稳定性。
