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金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其卓越的光电性能、低成本和制备简便性，在过去十年中迅速崛起，已成为下一代光伏技术的重要候选之一。特别是采用倒置（p-i-n）结构的PSC器件，凭借优异的界面工程潜力，已实现超过26%的功率转换效率（PCE），并在长期操作稳定性方面展现出明显优势。然而，在商业化进程中，如何在保持高效率的同时显著提升器件的环境适应性与稳定性，仍是亟待解决的关键难题。

聚合物材料因其良好的封装性和机械柔韧性，近年来被广泛应用于PSC的界面工程中，尤其在抑制离子迁移和提高器件热稳定性方面表现突出。然而，常规聚合物界面层通常存在电子屏蔽效应，阻碍电荷提取效率，进而限制了器件的光电性能。

基于此，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）提出并验证了一种新型的内嵌金属富勒烯-聚合物（Nd@C82-PMMA）耦合界面层，可同时实现高效电子提取与稳定界面封装，有效解决了钙钛矿太阳能电池中效率与长期稳定性难以兼顾的瓶颈。通过在器件中引入该界面层，研究团队实现了高达26.78%（认证26.29%）的小面积器件效率，以及23.08%的模块效率，同时在高温、高湿和长时间照射条件下仍保持优异的稳定性，展现了这项技术在钙钛矿光伏器件大规模应用中的巨大潜力。

2025年4月8日，该研究成果以A Nd@C82-polymer interface for efficient and stable perovskite solar cells为题，以预印本形式发表在《Nature》期刊上。论文通讯作者是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，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；论文共同第一作者是西安交通大学物理学院博士研究生林越辛、水源、朱文静，化学学院硕士研究生吕世丽，福建农林大学林智超博士。

Nd@C82结构设计

作者通过分子模拟和电荷密度计算（图1a-b）揭示了Nd@C82分子中Nd³⁺离子与C82富勒烯笼的耦合关系，形成稳定偶极并具备可移动性，使其具备电场调控能力。计算结果显示，Nd@C82的电子电导率（~1.0×10⁻³ S/m）显著高于传统C60（~2.1×10⁻⁴ S/m）（图1c），说明其可作为高效电子提取层。TOF-SIMS深度分析（图1e）表明，在85 °C老化1008小时后，Nd@C82显著抑制了Pb²⁺等离子的迁移扩散，说明其聚合物包覆结构在提升热稳定性方面表现突出。结合Nd@C82与PMMA的界面结构示意图（图1d），作者提出该复合层具备“快提取 + 强封装”的协同特性。

图1. 内嵌磁性金属富勒烯Nd@C82-聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）耦合层实现超快电子提取与铅离子固定

界面电势均匀性提升电子提取能力

为验证界面调控效果，作者通过KPFM研究薄膜表面的电势分布（图2a–c）。结果显示，引入Nd@C82后，表面电势波动显著减小，变化值由118 mV降至64 mV（图2d–f），表明界面电场更均匀，电荷积累减少，有利于稳定载流子输运。同时，PL mapping图像（图2g–i）显示Nd@C82修饰后的膜发光强度降低、均匀性增强，反映出非辐射复合被有效抑制，电子更易从钙钛矿层转移到电子传输层。

图2. 引入Nd@C82-PMMA耦合层的钙钛矿薄膜电子与光学特性

加速电子提取与能带对齐提升界面动力学

图3展示了Nd@C82对电子传输动力学的促进作用。稳态和时间分辨PL结果（图3a–b）显示，Nd@C82显著缩短了电子寿命（从127.6 ns降至26.3 ns），证明其加快了电子提取过程。作者进一步对比了Nd@C82与SAM界面的提取效率（图3c），发现二者电子与空穴提取速率接近，实现电子-空穴平衡提取，降低界面复合。UPS测试结果（图3d–f）表明Nd@C82与钙钛矿形成Ⅱ型能带对齐结构，可减少能级错配带来的势垒，进一步提高载流子分离效率。

图3. Nd@C82-PMMA耦合层平衡载流子传输

高效率与长时间稳定性同步提升

在器件性能方面，作者分别评估了小面积PSC和大面积模块的表现。图4a显示，Nd@C82界面层将PCE从25.57%提升至26.78%，认证效率为26.29%；图4c中16 cm²模块效率达23.08%。在长期稳定性测试中，器件在85 °C下储存1750小时仍保持95%初始效率（图4e），在65 °C、1 sun条件下运行2500小时后仍保持82%（图4f），远优于未引入Nd@C82的对照组。作者归因于Nd@C82-PMMA耦合层对离子迁移的有效抑制及其构建的稳定电子通道结构。

图4. 基于Nd@C82的钙钛矿太阳能电池及组件的光伏性能与稳定性

小结

作者围绕Nd@C82-PMMA耦合界面的设计与应用，系统展示了其在电子提取、能级匹配、离子迁移抑制和器件稳定性等多个维度的显著优势。研究明确指出该界面层不仅提升了载流子传输效率，还实现了器件在高温和长时间光照下的高保真运行表现。该工作提出了一种兼顾效率与稳定性的界面工程策略，为高性能、长寿命、可规模化的钙钛矿太阳能电池提供了具有可行性的解决方案，对推动钙钛矿技术走向实用化具有重要意义。

参考文献：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-08961-9

来源：高分子科学前沿

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