重磅Science:离子盐电子传输层改写规则：钙钛矿太阳能电池效率26%、高温运行超2000小时

【一】、科学背景

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其高能量转换效率（PCE）和低成本潜力成为光伏领域的研究热点。钙钛矿材料因其高光吸收系数、可调带隙、溶液加工性等特性，成为第三代光伏技术的核心材料。倒置（p-i-n）结构钙钛矿电池因其制备工艺简单、低温兼容性（<150°C）以及与硅基叠层电池的潜力，被视为商业化的重要方向。然而，其实际应用受限于两大问题：（1）界面稳定性不足：钙钛矿与电荷传输层（如电子传输层ETL）的界面易发生离子迁移、缺陷态积累和化学降解，导致器件效率衰减。（2）长期运行性能退化：高温、湿度、光照等外部应力加速界面分层和材料分解，尤其在倒置结构中，ETL与钙钛矿的弱结合（范德华力主导）是主要瓶颈。目前，倒置PSCs普遍使用C60作为电子传输层（ETL），但C60的分子性质导致其与钙钛矿界面结合弱（范德华力主导）、机械韧性差，且需要较厚层（~20 nm）以支撑原子层沉积（ALD）SnOₓ涂层。这些问题限制了器件效率和稳定性，尤其是在高温或长期运行条件下。针对C₆₀的缺陷，研究者尝试了多种方法：（1）表面钝化：引入小分子（如PCBM）或二维材料（如石墨烯）填补钙钛矿表面缺陷，但未解决C₆₀自身的分子性质问题。（2）界面修饰：通过自组装单层（SAMs）调整能级排列，但难以增强机械结合力。（3）C₆₀功能化：将C₆₀与极性基团共价修饰，但合成复杂且电子传输能力可能受损。这些策略多聚焦于局部优化，未从材料化学本质上突破C₆₀的局限性。

【二】、科学创新

最近来自英国纽卡斯尔大学Marina Freitag、托莱多大学Yanfa Yan、阿卜杜拉国王科技大学Osman M. Bakr和美国国家可再生能源实验室朱凯等人报道了一种基于C60的离子盐（CPMAC）作为电子传输层，用于高性能倒置钙钛矿太阳能电池及模块。CPMAC由C60与N-甲基甘氨酸等反应合成，其阳离子中的CH₂-NH₃⁺基团可填充钙钛矿表面的甲脒（FA⁺）空位或取代FA⁺离子，形成离子键结合，从而增强界面韧性和致密性。相较于C60，CPMAC的界面韧性提高了约3倍（从0.50 J m⁻²增至1.43 J m⁻²），且仅需~10 nm厚度即可支撑ALD-SnOₓ涂层。基于CPMAC的单结电池实现了26.1%的能量转换效率（PCE），并在65°C、1倍太阳光下连续运行2100小时后仅衰减2%。在微型模块（4个子电池，面积6 cm²）中，CPMAC使PCE达到23.2%，并在55°C下运行2200小时后保持91.5%的初始效率。该研究通过离子盐设计解决了C₆₀的界面和机械稳定性缺陷，为钙钛矿光伏技术的商业化提供了新思路。相关成果以“C₆₀-based ionic salt electron shuttle for high-performance inverted perovskite solar modules”为题发表在Science期刊上。

图1. (A) C₆₀与钙钛矿表面的相互作用（范德华键合）与CPMAC的对比；(B) 4-(1',5'-二氢-1'-甲基-2'H-[5,6]富勒烯-C₆₀-Iₙ-[1,9-c]吡咯-2'-基)苯甲胺氯化物（CPMAC）的合成路径。© 2025 AAAS

图2. 结构与光电性质 © 2025 AAAS

(A) 和 (B) 无/有CPMAC涂层的钙钛矿薄膜的光致发光（PL）成像；
(C) 和 (D) 对照组与目标钙钛矿薄膜的克尔探针力显微镜（KPFM）表面电势分布图；
(E) C₆₀薄膜与CPMAC薄膜的时间分辨微波电导（TRMC）对比；
(F) 基于C₆₀或CPMAC的电子传输层（ETL）的断裂能（G_c）比较；
(G) Ag/ALD-SnOₓ/CPMAC/钙钛矿结构的横截面高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像；
(H) 电子能量损失谱（EELS）元素分布分析（银、锡、氧、碳、碘）。

图3 钙钛矿太阳能电池性能 © 2025 AAAS

(A) 和 (B) 不同器件结构（FTO/HTL/钙钛矿/C₆₀/ALD-SnOₓ/Ag (A) 和 FTO/HTL/钙钛矿/CPMAC/ALD-SnOₓ/Ag (B)）的电流密度-电压（J-V）曲线及模拟AM 1.5 G光照下的光伏参数（插图为具体数值）。器件有效面积为0.059 cm²（通过金属孔径定义）；
(C) 基于ISOS-L-1协议的器件运行稳定性对比（65°C，氮气环境，1倍太阳光最大功率点追踪）。HTL为MeO-2PACZ/Me-4PACZ混合物。C₆₀与CPMAC器件的初始PCE分别为24.9%和25.8%；
(D) 未封装器件在85°C、氮气环境下的运行稳定性对比（持续1倍太阳光照射）。此测试中，HTL为PTAA。C₆₀与CPMAC器件的初始PCE分别为24.3%和25.5%。

图4 钙钛矿太阳能模块性能 © 2025 AAAS

(A) 钙钛矿薄膜刀片涂覆工艺示意图；
(B) 典型钙钛矿太阳能模块（PSM）的J-V曲线（插图为模块实物图）；
(C) 美国国家可再生能源实验室（NREL）光伏性能组测量的CPMAC器件的准稳态（QSS）与J-V结果；
(D) 封装模块在~55°C、40%~60%相对湿度空气中的运行稳定性（基于ISOS-L-1协议）。C₆₀与CPMAC器件的初始PCE分别为20.2%和21.5%。

【三】、科学启示

本文通过将C60功能化为离子盐（CPMAC），结合离子键的强相互作用和C60的电子传输能力，实现了界面稳定性和导电性的协同优化。不仅钝化缺陷，还抑制了界面分层，显著提升机械强度（断裂能>1 J m⁻²）。在微型模块中表现出优异的稳定性，验证了其在大面积制备中的可行性。该研究提出的“离子盐电子传输层”策略可拓展至其他光电器件（如发光二极管、光电探测器），为解决界面问题提供通用思路。本文制备的CPMAC显著延长了器件寿命（高温高湿下2000小时保持94.3%效率），为钙钛矿电池的实际应用扫除关键障碍，有助于加速光伏技术的产业化进程。