科學通報 | 突破“鉛”絆：富勒烯材料助力錫基鈣鈦礦太陽能電池邁向新高度

華僑大學材料科學與工程學院的田成波、魏展畫教授團隊發表評述文章，聚焦富勒烯材料的不同功能，系統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展，并對未來發展方向進行了展望。

近年來, 得益于鈣鈦礦材料光吸收系數高、帶隙可調、激子結合能低以及可溶液制備等一系列優點, 有機-無機鹵化物鈣鈦礦太陽能電池被廣泛研究并迅速發展. 在短短十幾年內, 鈣鈦礦太陽能電池最高光電轉換效率已從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化應用, 其生產、運輸、儲存和使用等諸多過程均存在泄露的風險, 進而造成生物危害和環境污染問題. 為了尋找綠色替代方案，科學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構，這使得錫基鈣鈦礦天生就具備諸多優秀的光電特質：高載流子遷移率、高光吸收系數，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證效率僅為15.7%，遠低于其理論極限，也落后于鉛基對手。這背后隱藏著三大“攔路虎”：

• “閃電”結晶，薄膜質量差：Sn2?具有更強的Lewis酸性，導致其與有機銨鹽的反應過快，鈣鈦礦薄膜來不及形成均勻致密的晶體結構。

• “易氧化”體質，穩定性堪憂：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。

• 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，引發嚴重的p型自摻雜（背景載流子濃度可高達101? cm?3以上），加劇內部載流子復合；二是其高位置的導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：破局的關鍵？

面對錫基鈣鈦礦的重重困境，富勒烯進入了研究者的視野。這種由sp2雜化碳原子構成的籠狀分子，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展, 并根據其應用方式進行了分類討論. 最后, 總結了該領域的研究現狀, 并展望了未來功能化富勒烯材料的開發與設計方向.

展望未來

(1) 富勒烯界面修飾: 使用有機鹵化物銨鹽進行鈣鈦礦表面鈍化已成為鉛基鈣鈦礦電池的基礎工藝之一, 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, 還可以通過優化取代基的種類和數量, 實現高效的鈍化作用, 從而抑制非輻射復合以實現高開路電壓.

(2) 基于富勒烯進行能級調控: 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, 進一步提升器件性能.

(3) 功能化富勒烯材料的聯用: 目前已報道的基于功能化富勒烯材料優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構則較為基礎. 為了進一步實現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用多種功能化富勒烯材料以協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構與性能. (a) ABX3型鈣鈦礦結構示意圖; (b) 單節電池的Shockley-Queisser效率極限圖; (c)錫原子與鉛原子的電子構型對比示意圖; (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) 功能化富勒烯的結構與優勢

圖2富勒烯體相摻雜劑. (a) C60-RNH3-X的分子結構(X=Cl、Br或I)及其改善鈣鈦礦晶界電荷傳輸的示意圖; (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的結構及其器件的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構模型和吸附能(Eads)

圖4富勒烯電子傳輸層. (a) C60-MP、C60-ETPA的分子結構及其器件和基于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展. 科學通報, 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

《科學通報》是中國科學院主管、中國科學院和國家自然科學基金委員會共同主辦的綜合性中文學術期刊，致力于快速報道自然科學各學科基礎理論和應用研究的最新研究動態、消息、進展, 點評研究動態和學科發展趨勢。

• 旬刊，每10天出版1期；

• 欄目：進展、評述、快訊、論文、觀點、科技前沿、科學訪談、亮點述評、悅讀科學等；

• 中國科學院文獻情報中心分區表綜合性大類1區TOP期刊；

• 中國科技期刊卓越行動計劃領軍期刊；

• 《中國科技論文與引文數據庫》和《中國科學引文數據庫》的源期刊，同時被EI、ESCI和Scopus等收錄；

• 期刊官網：http://csb.scichina.com.

轉載、投稿請留言

| 關注科學通報 | 了解科學前沿