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1、论文概览
C₆₀是p-i-n 型钙钛矿太阳能电池(PSCs)中广泛应用的电子传输层(ETL),但商业化量产中,重复热蒸发导致的 C₆₀性能衰减问题严重制约工艺重复性。

沙特阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)Stefaan De Wolf 团队联合普林斯顿大学、马尔马拉大学等机构,在《Nature Communications》发表关键研究:发现商用C₆₀(纯度 99.75%)中的氧气会引发分子聚合,形成 C₁₂₀等高分子量衍生物,导致深能级陷阱与器件性能下降;而通过真空热梯度升华提纯得到的 99.95% 高纯度C₆₀,可完全抑制聚合现象,经 8 次重复蒸发后仍保持稳定光电性能。基于该策略的钙钛矿 / 硅叠层电池实现30.9% 的认证效率,且开路电压(1950 mV)与填充因子(81%)无明显衰减,为钙钛矿光伏技术产业化提供核心工艺支撑,相关成果以 “Sublimed C₆₀ for efficient and repeatable perovskite-based solar cells” 为题发表。
2、技术亮点
揭示衰减机制:首次明确商用 C₆₀重复蒸发性能下降的核心原因——氧气诱导分子聚合形成 C₁₁₀-C₁₂₈等高聚物,引入深能级陷阱;
提出解决方案:真空热梯度升华提纯技术将 C₆₀纯度提升至 99.95%,去除氧气杂质,抑制聚合反应;
工艺稳定性突破:升华 C₆₀经8 次重复热蒸发,电子迁移率、功函数等关键参数保持稳定,器件性能无系统性衰减;
器件性能优异:单结 PSCs 效率达19.06%,钙钛矿 / 硅叠层电池认证效率 30.9%,未封装器件表现出优异稳定性。
3、深度解析

图1通过系统性的器件性能分析揭示了商业级C₆₀源材料在重复热蒸发过程中的性能衰减问题;图中a部分展示了p-i-n型钙钛矿太阳能电池的完整器件结构(ITO/NiOx/MeO-2PACz/钙钛矿/C60/BCP/Ag),b的J-V曲线显示随着C₆₀沉积循环次数增加(从第1次到第8次),器件开路电压从1142 mV逐渐降至1118 mV,填充因子也同步下降,c的统计分布图进一步证实了Voc和FF的系统性衰减趋势,d的钙钛矿/硅叠层电池结构示意图和e的对应性能数据表明该问题在叠层器件中同样存在,这些结果共同证明了商业级C₆₀在重复热循环过程中会发生材料团聚现象,导致电子传输层性能劣化,严重影响器件批次间重复性。

图2通过多种表征手段深入分析了C₆₀薄膜在热循环过程中的光电性能演变;a的准费米能级分裂(QFLS)测试显示随着沉积循环增加,钙钛矿/C60界面的电压损失逐步累积(每次循环约5 meV),b的光热偏转光谱(PDS)吸收谱表明热循环后样品在带隙内出现额外吸收态,c的相位偏移分析进一步证实界面缺陷态增加,d的场效应晶体管测量显示电子迁移率从首次沉积的0.083 cm²/Vs降至第8次的0.034 cm²/Vs,e的紫外光电子能谱(UPS)显示热循环后HOMO能级附近态密度发生变化,f的MALDI-TOF质谱分析首次沉积样品主要显示C₆₀峰(m/z=720),而第8次沉积样品出现C120、C124等高分子量富勒烯衍生物峰,这些结果从多角度证实热循环诱导C₆₀分子发生 coalescence 形成高分子量衍生物,是性能衰减的根本原因。

图3通过高分辨透射电镜(HRTEM)和理论计算揭示了C₆₀ coalescence 的微观机制;a-b的HRTEM图像显示热循环后的C₆₀粉末保持分子级结晶性,但c的局部放大图像中可观察到C₆₀二聚体(直径约0.686 nm)和C120衍生物(直径约1.014 nm)的形成,d的密度泛函理论计算表明钙钛矿与C124界面会在带隙内产生深能级陷阱态,而e的电荷密度差分图显示C₆₀分子上电荷离域分布有利于电子传输,而C124上电荷局域化在界面处阻碍电荷转移,这些微观结构证据完美解释了性能衰减的物理起源——热循环促使C₆₀分子通过氧介导的化学反应形成二聚体和高分子量衍生物,进而引入界面缺陷态和电荷传输势垒。

图4证明了升华纯化处理对C₆₀材料稳定性的显著改善效果;a-b的单结电池统计数据显示使用升华纯化C₆₀(纯度99.95%)后,经过8次沉积循环Voc和FF保持稳定(Voc中值维持在1130 mV附近),c的代表性J-V曲线显示性能无衰减,d-e的钙钛矿/硅叠层电池数据进一步验证了升华C₆₀的稳定性,Voc稳定在1950 mV,FF保持在81%,f的J-V曲线显示冠军叠层电池效率达到30.9%,这些结果与商业级C₆₀的性能衰减形成鲜明对比,表明通过升华纯化去除氧杂质可有效抑制C₆₀团聚现象,为钙钛矿光伏技术的产业化提供了关键材料解决方案。
4、结论展望
本研究通过升华提纯技术解决了C₆₀在钙钛矿电池量产中的核心瓶颈,明确了氧气诱导聚合的衰减机制,为高性能ETL 材料的工艺优化提供关键指导。未来可进一步优化升华工艺以提升产率,开发氧气抗性更强的C₆₀衍生物,或结合界面修饰进一步降低陷阱态密度。该研究不仅为钙钛矿光伏技术的规模化生产扫清关键障碍,也为其他有机电子材料的工艺稳定性优化提供参考范式。
参考文献:Ahmed A. Said, Erkan Aydin, Esma Ugur, et al. Sublimed C₆₀ for efficient and repeatable perovskite-based solar cells. Nature Communications, 2024, 15: 708.
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