研究背景
電子傳輸材料（ETM）是鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的關鍵組成部分，優化了從鈣鈦礦到陰極的電子提取。富勒烯，特別是 C60 和 [6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM），一直作為倒置 PSCs 的基準 ETM。然而，C60 受限于熱蒸發工藝，而 PCBM 則存在較差的光熱穩定性和次優的電子傳輸能力，限制了其在 PSCs 中的應用。鑒于此，南方科技大學馮奎、廉卿、郭旭崗和美國佐治亞理工學院Antonio Facchetti 等人在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Non-fullerene electron-transporting materials for high-performance and stable perovskite solar cells”的最新論文。他們提出了一種可溶液加工的非富勒烯 ETM——氰基功能化二噻吩酰亞胺二聚體（CNI2）基聚合物（PCNI2-BTI），該材料具備多重優勢，包括優異的光熱穩定性、高效的電子傳輸能力以及與鈣鈦礦層的增強相互作用。因此，采用 PCNI2-BTI 的倒置 PSCs 實現了卓越的光電轉換效率（PCE），高達26.0%（認證值 25.4%），并表現出優異的運行穩定性，在ISOS-L-3測試條件下T80接近1300小時。此外，我們合成了三種額外的CNI2基聚合物ETM，使PSCs的平均PCE超過 25%。這些研究成果展現了非富勒烯ETM在高性能和高穩定性PSCs領域的巨大潛力。
研究亮點
- 實驗首次提出了一種基于氰基功能化二噻吩酰亞胺二聚體（CNI2）基聚合物（PCNI2-BTI）的非富勒烯電子傳輸材料（ETM），并成功應用于倒置型鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）。
- 通過采用PCNI2-BTI作為ETM，倒置型PSCs實現了高達26.0%的光電轉換效率（PCE）（認證值25.4%），同時表現出卓越的光熱穩定性和長時間的操作穩定性，T80接近1300小時，在ISOS-L-3測試條件下展現了出色的性能。
- 實驗通過合成三種額外的CNI2基聚合物ETM，進一步優化了PSCs的性能，所有這些材料的平均PCE均超過25%，展示了非富勒烯ETM在高性能和穩定性方面的巨大潛力。
圖文解讀
圖 2：PCBM 與兩種非富勒烯 ETM 的熱學特性、電子傳輸特性及微觀結構。圖 3：鈣鈦礦/ETM 界面的表面形貌及電子動力學特性。
結論展望
本研究展示了氰基功能化n型聚合物PCNI2-BTI作為非富勒烯電子傳輸材料（ETM）在倒置型鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）中的成功應用。基于PCNI2-BTI的器件實現了26.0%的卓越光電轉換效率（認證值為25.4%），并在ISOS-L-3測試條件下（65°C，60%±10%相對濕度）表現出色的操作穩定性，T80達到1280小時。研究確立了高性能非富勒烯ETM的關鍵設計原則，包括優異的溶解性、良好的主鏈共面性、低的費米能級、卓越的光熱穩定性、有利的堆積取向（緊密的π-π堆積）以及豐富的聚集態結構（PGs）。基于這些見解，進一步開發了三種新的非富勒烯ETM，并在倒置型PSCs中實現了平均PCE超過25%，其中最高達到26.1%。本研究為設計和應用高性能非富勒烯ETM開辟了道路，預計將改變鈣鈦礦光伏技術的研究范式。 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
