2025年4月8日，我院李萌教授与西安交通大学物理学院梁超研究员（合作团队包括杨生春教授和杨志懋教授）围绕高效稳定钙钛矿光伏器件的界面工程难题，取得重大研究进展。相关成果以“A Nd@C₈₂-polymer interface for efficient and stable perovskite solar cells”为题，在线发表于国际顶级期刊《自然》（Nature，DOI: 10.1038/s41586-025-08961-9）。该研究首次提出了基于分子极化调控机制的原位界面封装策略，为钙钛矿太阳能电池在复杂环境下的稳定运行提供了新思路。

钙钛矿太阳能电池因其卓越的光电转化效率和低成本加工工艺，被视为下一代光伏技术的战略制高点。然而，如何在高效率的基础上兼顾器件的长期稳定性，始终是制约其商业化应用的关键挑战。针对这一问题，研究团队创新性地构建了由内嵌金属富勒烯分子Nd@C₈₂与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）协同形成的复合界面结构，用于对钙钛矿活性层进行原位封装。Nd@C₈₂分子作为具有电磁耦合特性的电子提取介质，通过界面极化效应增强电子选择性传输能力，同时耦合PMMA赋予界面出色的物理封装与结构保护功能，显著抑制了离子迁移和环境侵蚀，提升器件在高温、高湿等复杂环境下的运行寿命。基于该策略构建的倒置型钙钛矿光伏器件，在小面积（0.08 cm²）测试中实现了高达26.78%的光电转换效率（认证值为26.29%），在大面积模块（16 cm²）的效率也达到了23.08%。更为重要的是，该器件在湿热测试标准（ISOS-D-3）下运行1000小时后效率保持在99%以上，在同类研究中处于国际领先水平。

图1 内嵌金属富勒烯Nd@C₈₂-聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）耦合层助力超快电子提取和离子扩散抑制。（a）C₆₀，Nd@Cs(6)-C₈₂，以及Nd@C_2v(9)-C₈₂的分子结构以及相应的电子局域化函数（ELF）；（b）钙钛矿/富勒烯的电荷密度差分布（CDD）；（c）计算出的不同富勒烯电子电导率；（d）具有Nd@C₈₂-PMMA耦合层的倒置钙钛矿太阳能电池（PSC）的器件结构示意图；（e）横截面飞行时间二次离子质谱图。

图2 具有Nd@C₈₂-PMMA耦合层钙钛矿薄膜的电学和光学性质。（a-c）钙钛矿薄膜、钙钛矿/C₆₀薄膜和钙钛矿/Nd@C₈₂/C₆₀薄膜的表面电势图；（d-f）钙钛矿薄膜、钙钛矿/C₆₀薄膜和钙钛矿/Nd@C₈₂/C₆₀薄膜的表面电势变化；（g-i）钙钛矿薄膜、钙钛矿/C₆₀薄膜和钙钛矿/Nd@C₈₂/C₆₀薄膜的光致发光扫描成像图。

图3 Nd@C₈₂-PMMA耦合层用于平衡电荷载流子传输。（a）钙钛矿薄膜、对照组薄膜（钙钛矿/C₆₀）和Nd@C_82（钙钛矿/Nd@C₈₂/C₆₀）薄膜的光致发光光谱图；（b）钙钛矿薄膜、对照组薄膜（钙钛矿/C₆₀）和Nd@C₈₂（钙钛矿/Nd@C₈₂/C₆₀）薄膜的时间分辨荧光光谱图；（c）钙钛矿/C₆₀薄膜、钙钛矿/自组装单层（SAM）薄膜、钙钛矿/Nd@C₈₂/C₆₀薄膜的时间分辨荧光光谱图；（d）钙钛矿和电子传输层之间的能带排列；（e-f）能带排列示意图。

图4 基于Nd@C₈₂制备器件的光伏性能。（a）最优的对照组和基于Nd@C₈₂制备器件的J-V曲线；（b）从J-V曲线中获得的光电转换效率值的统计数据；（c）基于Nd@C₈₂制备的最优模组的J-V曲线；（d）最优模组的最大功率点输出曲线；（e）基于ISOS-D-2I测试协议下器件的稳定性；（f）基于ISOS-L-3测试协议下器件的稳定性。

河南大学李萌教授、西安交通大学物理学院梁超研究员、杨生春教授、杨涛研究员，化学学院蔡文婷研究员，澳门大学邢贵川教授为论文通讯作者；西安交通大学物理学院博士研究生林越辛、水源、朱文静，化学学院硕士研究生吕世丽，福建农林大学林智超博士为论文共同第一作者。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、西安交通大学青年拔尖人才支持计划和中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08961-9。