西安交大化学学院在金属富勒烯-钙钛矿太阳能电池研究领域取得重大突破

近年来，富勒烯及其衍生物（如[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯，PCBM）因其优异的电子受体性能，被广泛应用于钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）中。相比传统空心富勒烯如C₆₀，内嵌金属富勒烯（EMFs）由于其独特的金属-碳笼相互作用及多样的金属簇结构，能够有效调控碳笼分子的能级排布，从而影响器件的开路电压，在钙钛矿太阳能电池领域展现出广阔的应用前景。

在此研究背景下，西安交通大学化学学院蔡文婷研究员课题组（丁书江教授团队），成功合成了一系列磁性含钕金属内嵌富勒烯（Nd-EMFs），其中具有代表性的极性分子Nd@C₂ᵥ(9)-C₈₂在钙钛矿器件中展现出卓越性能。该分子因其极性结构可在器件界面形成强吸引偶极力，进而建立由Nd@C₂ᵥ(9)-C₈₂介导的强永久电场，显著促进载流子的高效分离与提取。研究发现，在Nd@C₂ᵥ(9)-C₈₂中，富勒烯笼相较于金属Nd(III)显示出更高的电子局域化特性，从而形成了一个由富勒烯向内嵌金属的短程电子转移通道，极大加速了分子内的电子转移过程。同时，Nd离子在碳笼内部的动态运动行为进一步增强了器件中的内建电场，实现了更高效的电子提取能力。

基于材料优势，西安交通大学物理学院梁超研究员（杨生春和杨志懋教授团队）通过分子界面工程首创一种Nd@C₂ᵥ(9)-C₈₂与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的电磁耦合结构，对钙钛矿层进行原位封装。该电磁耦合传输介质展现出优异的结构保护性能和超快电子传输特性，有效促进钙钛矿电池界面间电子的均匀提取并抑制离子相互扩散，显著提升了钙钛矿电池的稳定性和光电转换效率（PCE）。所制备的倒置型钙钛矿光伏太阳能电池在0.08 cm⟡面积下实现了26.78%的光电转换效率（认证值为26.29%），在16 cm⟡模块面积下效率达到23.08%。此外，在ISOS-D-3标准湿热测试条件下，该器件经1000小时运行后效率仍保持在99%以上，表现出优异的稳定性。

本研究利用Nd@C₂ᵥ(9)-C₈₂中Nd离子在碳笼内的动态行为及其与碳笼强烈的相互作用，实现了超快分子内电子转移；同时，Nd@C₂ᵥ(9)-C₈₂界面所产生的永久强电场，有效削弱了PMMA的电子屏蔽效应，显著提高了钙钛矿太阳能电池的载流子分离效率与光电转换性能。本研究突破了传统富勒烯在电子传输中的性能瓶颈，为新型电子传输材料的设计和应用提供了全新思路。

该成果以题为“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）的研究论文，于2025年4月8日在线发表在国际顶级期刊《自然》（Nature）上。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共同担任第一作者；西安交通大学物理学院梁超研究员、杨生春教授、杨涛研究员，西安交通大学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本论文共同通讯作者。

西安交通大学大型分析测试中心的郭航、梁艳、周国庆和张杨在材料表征和分析中提供了重要支持。

本研究获得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@C_s(6)-C₈₂, Nd@C_2v(9)-C₈₂的分子结构以及相应电子局域化函数(ELF)；(b)钙钛矿/富勒烯的电荷密度差分布(CDD)；(c)计算所得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耦合层的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薄膜（钙钛矿/Nd@C₈₂/C₆₀）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薄膜（钙钛矿/Nd@C₈₂/C₆₀）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。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08961-9

丁书江教授团队主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/dingsj

蔡文婷研究员课题组主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/caiwt88

审核人：张彦峰