南方科技大学， Nature Materials！
米测MeLab
2025-03-12
研究背景
电子传输材料（ETM）是钙钛矿太阳能电池（PSCs）的关键组成部分，优化了从钙钛矿到阴极的电子提取。富勒烯，特别是 C60 和 [6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM），一直作为倒置 PSCs 的基准 ETM。然而，C60 受限于热蒸发工艺，而 PCBM 则存在较差的光热稳定性和次优的电子传输能力，限制了其在 PSCs 中的应用。鉴于此，南方科技大学冯奎、廉卿、郭旭岗和美国佐治亚理工学院Antonio Facchetti 等人在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Non-fullerene electron-transporting materials for high-performance and stable perovskite solar cells”的最新论文。他们提出了一种可溶液加工的非富勒烯 ETM——氰基功能化二噻吩酰亚胺二聚体（CNI2）基聚合物（PCNI2-BTI），该材料具备多重优势，包括优异的光热稳定性、高效的电子传输能力以及与钙钛矿层的增强相互作用。因此，采用 PCNI2-BTI 的倒置 PSCs 实现了卓越的光电转换效率（PCE），高达26.0%（认证值 25.4%），并表现出优异的运行稳定性，在ISOS-L-3测试条件下T80接近1300小时。此外，我们合成了三种额外的CNI2基聚合物ETM，使PSCs的平均PCE超过 25%。这些研究成果展现了非富勒烯ETM在高性能和高稳定性PSCs领域的巨大潜力。
研究亮点
- 实验首次提出了一种基于氰基功能化二噻吩酰亚胺二聚体（CNI2）基聚合物（PCNI2-BTI）的非富勒烯电子传输材料（ETM），并成功应用于倒置型钙钛矿太阳能电池（PSCs）。
- 通过采用PCNI2-BTI作为ETM，倒置型PSCs实现了高达26.0%的光电转换效率（PCE）（认证值25.4%），同时表现出卓越的光热稳定性和长时间的操作稳定性，T80接近1300小时，在ISOS-L-3测试条件下展现了出色的性能。
- 实验通过合成三种额外的CNI2基聚合物ETM，进一步优化了PSCs的性能，所有这些材料的平均PCE均超过25%，展示了非富勒烯ETM在高性能和稳定性方面的巨大潜力。
图文解读
图 2：PCBM 与两种非富勒烯 ETM 的热学特性、电子传输特性及微观结构。图 3：钙钛矿/ETM 界面的表面形貌及电子动力学特性。
结论展望
本研究展示了氰基功能化n型聚合物PCNI2-BTI作为非富勒烯电子传输材料（ETM）在倒置型钙钛矿太阳能电池（PSCs）中的成功应用。基于PCNI2-BTI的器件实现了26.0%的卓越光电转换效率（认证值为25.4%），并在ISOS-L-3测试条件下（65°C，60%±10%相对湿度）表现出色的操作稳定性，T80达到1280小时。研究确立了高性能非富勒烯ETM的关键设计原则，包括优异的溶解性、良好的主链共面性、低的费米能级、卓越的光热稳定性、有利的堆积取向（紧密的π-π堆积）以及丰富的聚集态结构（PGs）。基于这些见解，进一步开发了三种新的非富勒烯ETM，并在倒置型PSCs中实现了平均PCE超过25%，其中最高达到26.1%。本研究为设计和应用高性能非富勒烯ETM开辟了道路，预计将改变钙钛矿光伏技术的研究范式。 Feng, K., Wang, G., Lian, Q. et al. Non-fullerene electron-transporting materials for high-performance and stable perovskite solar cells. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02163-4
