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鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite Solar Cells, PSCs）作為第三代光伏技術的代表，憑借其高光電轉換效率（PCE）、低成本和可溶液加工等優勢，已成為新能源領域的研究熱點。然而，其商業化進程仍受限于穩定性差、界面電荷復合嚴重等問題。富勒烯（Fullerene）及其衍生物憑借獨特的電子結構和物理化學特性，為解決上述問題提供了創新路徑。本文結合近年研究進展，系統闡述富勒烯基材料在鈣鈦礦電池中的關鍵作用及技術突破。
一、富勒烯基材料的特性與優化策略
1.1 結構特性與電子傳輸機制
富勒烯（如C60）是由碳原子構成的球形分子，具有高度對稱的sp2雜化結構，形成獨特的π電子共軛體系。其電子親和力強（電子親和能約2.6-2.8 eV），電子遷移率可達10?3 cm2/(V·s)，且具備優異的光吸收能力（覆蓋紫外至可見光范圍）211。
技術突破：通過化學修飾（如引入吡啶基、氰基苯基等官能團），可調控富勒烯的LUMO能級，使其與鈣鈦礦層（如MAPbI?）的導帶匹配更佳，從而降低界面勢壘，提升電子提取效率。例如，某富勒烯衍生物通過苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）的改良，將開路電壓（Voc）從1.05 V提升至1.15 V9。
1.2 界面缺陷鈍化與穩定性增強
鈣鈦礦表面及晶界處的缺陷態是導致電荷復合的主要原因。富勒烯衍生物可通過以下機制抑制缺陷：
物理覆蓋：富勒烯分子可填充鈣鈦礦薄膜的孔隙，減少氧/水分子滲透。例如，在鈣鈦礦層上旋涂富勒烯層可將濕度穩定性提升至2000小時以上211。
化學鍵合：含極性基團（如羧酸基）的富勒烯衍生物能與鈣鈦礦中的Pb2?配位，形成穩定的界面結構。實驗表明，此類材料可使器件在85°C老化條件下保持90%初始效率超過1000小時7。
二、富勒烯在鈣鈦礦電池中的關鍵技術應用
2.1 電子傳輸層（ETL）的優化
傳統ETL材料（如TiO?）存在制備溫度高、電子遷移率低等缺陷。富勒烯基ETL通過以下途徑實現突破：
低溫工藝兼容性：溶液法加工的富勒烯衍生物（如C60-PCBM）可在100°C以下成膜，適用于柔性基底。例如，采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為偶聯層，結合單層石墨烯構建的ETL，使柔性器件的PCE達到24.6%7。
抑制磁滯效應：富勒烯ETL可減少鈣鈦礦/電極界面的離子遷移，消除電流-電壓曲線的遲滯現象。研究表明，基于PCBM的ETL器件磁滯因子（Hysteresis Index）低于0.05，顯著優于傳統結構9。
2.2 活性層摻雜與界面工程
將富勒烯直接摻入鈣鈦礦前驅體可優化薄膜形貌：
晶粒尺寸調控：富勒烯作為成核劑可誘導鈣鈦礦晶粒定向生長。例如，摻雜1 wt%的C60可使MAPbI?晶粒尺寸從200 nm增至500 nm，減少晶界數量，降低復合損失5。
能級梯度設計：通過梯度摻雜富勒烯衍生物（如C70-ICBA），可在鈣鈦礦層內形成級聯能級結構，促進電荷分離。實驗顯示，該策略使器件的填充因子（FF）從0.75提升至0.8211。
三、技術挑戰與未來發展方向
3.1 現有技術瓶頸
盡管富勒烯基材料顯著提升了鈣鈦礦電池性能，仍存在以下問題：
成本與規模化生產：高純度富勒烯（如C60）的合成成本較高（約$100/g），且溶液加工工藝的重復性需進一步優化59。
長期穩定性不足：極端環境（如高溫高濕）下，富勒烯層可能發生聚集或氧化，導致界面剝離。例如，未封裝的器件在濕熱測試（85°C/85% RH）中效率衰減速率仍達1%/小時7。
3.2 創新解決方案與前沿探索
復合界面結構：華東理工大學團隊提出石墨烯-PMMA增強策略，通過機械約束抑制鈣鈦礦晶格膨脹（變形率從0.31%降至0.08%），使器件在90°C全光照下運行3670小時后仍保持97%初始效率7。
綠色合成工藝：采用微波輔助合成法可縮短富勒烯衍生物反應時間至2小時，產率提升至60%以上，同時減少有機溶劑用量11。
多功能一體化設計：將富勒烯與二維材料（如MXene）復合，可同時實現電荷傳輸、光熱管理和自修復功能。初步實驗顯示，此類材料的PCE可達26.3%，且具備抗裂紋擴展能力6。
四、商業化應用前景
富勒烯鈣鈦礦電池已在以下領域展現潛力：
柔性可穿戴設備：結合PET/ PEN基底，器件彎曲半徑可小于5 mm，且在1000次彎折后效率損失<5%37。
建筑一體化光伏（BIPV）：半透明器件（平均可見光透過率>30%）的模組效率達18.7%，適用于玻璃幕墻集成5。
太空能源系統：富勒烯的耐輻射特性使其在太空極端環境下（如高能粒子輻照）的性能衰減率較傳統硅基電池降低50%7。
結論
富勒烯基材料通過優化電子傳輸、鈍化界面缺陷和增強穩定性，已成為鈣鈦礦電池性能提升的核心技術之一。未來，通過材料設計創新（如多官能團修飾）與工藝革新（如卷對卷印刷），富勒烯鈣鈦礦電池有望在效率（>30%）、壽命（>25年）和成本（<$0.10/W）上實現突破，加速其從實驗室向產業化邁進。
