赵富稳教授，Angew观点：新型富勒烯衍生物用于调控PCBM电子传输层的分子堆积及自聚集实现超26%的器件效率

第一作者：何旦

通讯作者：赵富稳，李明华，胡劲松

单位：中南大学，北京化工大学，中国科学院化学研究所

在倒置（p-i-n型）钙钛矿电池中，电子传输层（ETL）作为电荷提取与界面保护的关键组成部分，对器件的光伏性能有着重要影响。富勒烯衍生物PCBM（[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯）凭借其优异的电子亲和性、与钙钛矿层的能级适配以及便于溶液加工的特性，成为倒置结构中最常用的ETL材料。然而，PCBM在实际应用中存在着显著的缺陷：其一，其柔性侧链阻碍分子紧密堆叠，导致薄膜电子迁移率远低于理论值，限制了电荷传输效率；其二，PCBM在环境应力下易发生自聚集，形成微米级簇状结构，造成薄膜不均匀、界面覆盖不完整，加剧水分/氧气渗透与离子迁移问题；其三，PCBM对钙钛矿表面缺陷（如未配位的Pb²⁺空位）钝化能力有限，导致界面非辐射复合损失。这些问题共同导致了器件效率的损失与长期稳定性的下降，成为制约倒置钙钛矿电池性能的关键因素。尽管通过n型掺杂、聚合物改性等策略可部分改善PCBM性能，但如何在分子尺度上协同优化ETL的电荷传输能力、形貌稳定性与界面钝化效果，仍是该领域亟待突破的瓶颈。

基于此，来自中南大学的赵富稳教授、北京化工大学李明华教授与中科院化学所胡劲松研究员联合在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Compacting Molecular Stacking and Inhibiting Self-Aggregation in Fullerene Transporting Layer for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”的文章。作者开发了一种含有两个磷酸酯基的新型富勒烯衍生物FuPE，用于优化传统PCBM基电子传输层的性能，解决其自聚集倾向、分子堆叠松散、缺陷钝化能力不足等问题。随着FuPE的加入，电子传输层的堆积更加紧密，有效的抑制了PCBM的自聚集，提高了电子传输层的电子迁移率。同时FuPE更强的缺陷钝化能力抑制了陷阱辅助复合，从而提升了倒置结构钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。因此基于FuPE:PCBM的电子传输层器件实现了超过26%的能量转换效率，并且在连续运行1500小时后仍能保持初始效率的92%。这为富勒烯基ETL的优化提供了新思路，对实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池具有重要的参考价值。

图1. a) PCBM和FuPE的化学结构，b) PCBM和FuPE晶体的分子堆积模型，c) 通过DFT计算获得的PCBM-PCBM和PCBM-FuPE的分子间相互作用

图2. a) PCBM和b) FuPE覆盖的钙钛矿薄膜的理论计算，c) 钙钛矿/PCBM和d) 钙钛矿/FuPE:PCBM薄膜的扫描电镜图，e) 钙钛矿/PCBM和f) 钙钛矿/FuPE:PCBM薄膜的AFM图，g) AFM表面形貌图对应的线性高度图

图3. a) 倒置钙钛矿太阳能电池结构的示意图，b) 基于PCBM和FuPE:PCBM器件的J-V曲线，c) 基于FuPE:PCBM器件的EQE曲线，d) 基于PCBM和FuPE:PCBM的器件效率的统计分布图，e) 连续照明下的长期运行稳定性测试。f) 1 cm²器件的J-V曲线，g) 基于PCBM和FuPE:PCBM器件的VOC与入射光强的关系，h) 基于PCBM和FuPE:PCBM单电子器件的SCLC图。

研究者将带有两个磷酸酯基团的富勒烯衍生物FuPE引入PCBM中共同作为电子传输层材料并通过其单晶结构研究了分子堆积情况。FuPE分子中的磷酸酯基与PCBM分子之间形成了更强的分子间相互作用。这种相互作用破坏了PCBM分子之间的强相互作用，从而抑制了PCBM的自聚集现象。通过抑制自聚集，FuPE使得PCBM分子在薄膜中分布更加均匀，减少了聚集态结构的形成，从而提高了薄膜的表面覆盖度。同时FuPE与PCBM分子之间的相互作用引导PCBM分子以更规则的方式堆积，减少了无序堆积的可能性。这种优化的分子堆积结构有助于提高电子传输层的电子迁移率。通过抑制PCBM的自聚集并优化分子堆积，显著改善了电子传输层的薄膜形貌，提高了与钙钛矿层的界面接触。

要点二：FuPE与钙钛矿层间的强相互作用钝化表面缺陷

通过DFT理论计算表明相较于PCBM，FuPE与钙钛矿间有着更多的作用位点及更强的相互作用。XPS分析表明，FuPE与钙钛矿层之间形成了强的化学键合，证明了FuPE对钙钛矿表面缺陷的钝化作用。FuPE分子通过与钙钛矿表面的Pb²⁺缺陷位点形成配位键，填充了这些缺陷位点，减少了缺陷的数量从而降低缺陷的电荷捕获能力。

要点三：基于FuPE:PCBM电子传输层的光伏性能

通过改性后的电子传输层拥有更优的界面接触和更低的缺陷密度使得电子迁移率显著提高，从而提升了器件的短路电流JSC。同时对钙钛矿表面缺陷的钝化抑制了界面处的陷阱辅助复合，从而提高了器件的开路电压VOC和填充因子FF。最终基于FuPE:PCBM电子传输层器件实现了超过26%的器件效率，并且具有更高的稳定性，在连续工作1500小时后仍能保持92%的出是器件效率。在1cm2的器件中仍能获得24.58%的效率，这表明这种改性方法依然适用于大面积制备的需求。这一研究不仅为解决PCBM电子传输层的自聚集问题提供了一种新的策略，还为开发高效、稳定的钙钛矿太阳能电池提供了重要的参考价值。

Compacting Molecular Stacking and Inhibiting Self-Aggregation in Fullerene Transporting Layer for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells

Compacting Molecular Stacking and Inhibiting Self‐Aggregation in Fullerene Transporting Layer for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells - He - Angewandte Chemie International Edition - Wiley Online Library

赵富稳教授简介：赵富稳，中南大学教授，2017年6月在中国科学院化学研究所获得博士学位；随后在“博士后创新人才支持计划”以及欧盟“玛丽居里学者”奖学金的资助下，进行博士后研究。研究方向为半导体材料的开发及其在能量转换与催化方面的应用。目前发表论文45篇，一作及通讯33篇，包括Adv. Mater. (7篇)，Adv. Energy Mater. (5篇), Adv. Funct. Mater. (1篇)等高影响力文章。其中，8篇入选ESI高被引论文 (Highly Cited Paper)，2篇入选2017年度中国百篇最具影响国际学术论文，他引6000余次，H因子26。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目（C类）、重点项目子课题各1项，主持湖南省青年基金项目（B类）1项，获得2025年Thieme Chemistry Journals Award（全球共93名）、2024年JMCC新锐科学家、欧盟玛丽居里学者、湖湘青年英才、博士后创新人才支持计划等荣誉。