西安交通大学，Nature！

米测MeLab

2025-04-16

研究背景

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光电转化效率和低成本潜力，已经在光伏领域展现出广泛的应用前景。与传统的硅基太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池具有更高的功率转换效率（PCE）和更低的生产成本，且其可调光学性质和柔性特性使其在建筑一体化光伏（BIPV）等新兴应用中具有巨大的潜力。

然而，尽管钙钛矿太阳能电池在实验室中取得了显著进展，仍面临稳定性差、环境敏感性强等问题，尤其是在长期工作过程中，钙钛矿层易受到水分、氧气以及热量的影响，从而影响电池的稳定性和耐用性。这些问题给钙钛矿太阳能电池的商业化应用带来了巨大的挑战。    

针对这一挑战，西安交通大学梁超研究员、蔡文婷研究员、杨涛研究员、杨生春教授，河南大学李萌教授、澳门大学邢贵川教授合作在“Nature”期刊上发表了题为“A Nd@C₈₂-polymer interface for efficient and stable perovskite solar cells”的最新论文。该团队设计并制备了一种磁性内球金属富勒烯Nd@C₈₂-聚合物耦合层，旨在解决钙钛矿太阳能电池中电子提取和离子扩散的问题。通过结合超快电子提取和原位封装特性，该耦合层能够有效地抑制离子扩散，促进均匀的电子提取，从而大幅度提高了电池的性能和稳定性。

研究结果表明，采用Nd@C₈₂-聚合物耦合层的倒置钙钛矿太阳能电池在0.08平方厘米和16平方厘米（模块）孔径面积下，分别实现了26.78%（认证26.29%）和23.08%的PCE。此外，未封装的器件在65°C下连续运行2,500小时后，仍保持了约82%的初始PCE，显示出良好的稳定性。

研究亮点

1.实验首次提出采用磁性内球金属富勒烯（Nd@C₈₂）-聚合物耦合层用于钙钛矿太阳能电池（PSC），并成功实现了超快电子提取和原位封装，解决了传统聚合物界面对电子提取和离子扩散的负面影响。

2.实验通过引入Nd@C₈₂-聚合物耦合层，在倒置结构PSCs中，优化了电子提取过程，并抑制了离子扩散。结果表明，使用该耦合层的PSCs达到了26.78%的功率转换效率（PCE）（认证26.29%），且在模块尺寸为16平方厘米时，PCE为23.08%。  

3.实验进一步测试了该Nd@C₈₂-聚合物耦合层的稳定性，发现未封装的设备在65°C下进行1太阳最大功率点跟踪操作2,500小时后，保持了约82%的初始PCE，显示出优异的长时间稳定性。

4.该研究表明，Nd@C₈₂-聚合物耦合层不仅提升了电子提取效率，还提供了优异的内部封装作用，有效增强了PSCs的耐久性和稳定性，为高效、稳定的钙钛矿太阳能电池的商业化提供了新的技术路径。

图文解读

图1：Nd@C₈₂-PMMA耦合层的分子结构和电子特性    

图2：Nd@C₈₂-PMMA耦合层对钙钛矿薄膜的电子和光学特性影响

_{图3：Nd@C82-PMMA耦合层对载流子传输的平衡作用}

图4：Nd@C₈₂基钙钛矿太阳能电池的光电性能和稳定性

结论展望

本研究的起点源于这样一个观点：Nd离子在富勒烯笼中的动态运动以及强烈的Nd-笼相互作用能够促进超快分子内电子转移（ET）。这一现象预计能够创造出缩短的分子内转移通道和电磁耦合传输器。因此，我们专注于通过开发基于Nd的内球金属富勒烯电子选择性层（ESL），实现倒置钙钛矿太阳能电池（PSC）中钙钛矿/电子传输层（ETL）界面的均匀超快电子提取。内球金属富勒烯-聚合物耦合ESL（Nd@C₈₂-PMMA）不仅展示了超快载流子提取，还增强了稳定性。

这一改进通过Nd@C₈₂界面产生的永久强电场实现，促进了高效的载流子分离和提取，而PMMA的交织网络进一步抑制了离子扩散。载流子提取不足引起的复合反应得到减少，从而使得倒置PSCs及其模块在效率、稳定性和可扩展性方面得到了显著提高。我们相信，内球金属富勒烯-聚合物耦合ESL结合先进的大面积沉积技术的策略，对于其他钙钛矿基设备的实际应用具有普遍的适用性。

原文详情：

Lin, Y., Lin, Z., Lv, S. et al. A Nd@C₈₂-polymer interface for efficient and stable perovskite solar cells. Nature (2025). 

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