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鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（Perovskite Solar Cells, PSCs）作為第三代光伏技術(shù)的代表，憑借其高光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）、低成本和可溶液加工等優(yōu)勢(shì)，已成為新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，其商業(yè)化進(jìn)程仍受限于穩(wěn)定性差、界面電荷復(fù)合嚴(yán)重等問(wèn)題。富勒烯（Fullerene）及其衍生物憑借獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)特性，為解決上述問(wèn)題提供了創(chuàng)新路徑。本文結(jié)合近年研究進(jìn)展，系統(tǒng)闡述富勒烯基材料在鈣鈦礦電池中的關(guān)鍵作用及技術(shù)突破。

一、富勒烯基材料的特性與優(yōu)化策略

1.1 結(jié)構(gòu)特性與電子傳輸機(jī)制

富勒烯（如C60）是由碳原子構(gòu)成的球形分子，具有高度對(duì)稱的sp2雜化結(jié)構(gòu)，形成獨(dú)特的π電子共軛體系。其電子親和力強(qiáng)（電子親和能約2.6-2.8 eV），電子遷移率可達(dá)10?3 cm2/(V·s)，且具備優(yōu)異的光吸收能力（覆蓋紫外至可見光范圍）211。
技術(shù)突破：通過(guò)化學(xué)修飾（如引入吡啶基、氰基苯基等官能團(tuán)），可調(diào)控富勒烯的LUMO能級(jí)，使其與鈣鈦礦層（如MAPbI?）的導(dǎo)帶匹配更佳，從而降低界面勢(shì)壘，提升電子提取效率。例如，某富勒烯衍生物通過(guò)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(wěn)定性增強(qiáng)

鈣鈦礦表面及晶界處的缺陷態(tài)是導(dǎo)致電荷復(fù)合的主要原因。富勒烯衍生物可通過(guò)以下機(jī)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(wěn)定性提升至2000小時(shí)以上211。

• 化學(xué)鍵合：含極性基團(tuán)（如羧酸基）的富勒烯衍生物能與鈣鈦礦中的Pb2?配位，形成穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)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(guò)1000小時(shí)7。

二、富勒烯在鈣鈦礦電池中的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2.1 電子傳輸層（ETL）的優(yōu)化

傳統(tǒng)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(guò)以下途徑實(shí)現(xiàn)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(lián)層，結(jié)合單層石墨烯構(gòu)建的ETL，使柔性器件的PCE達(dá)到24.6%7。

• 抑制磁滯效應(yīng)：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(xiàn)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(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(qū)體可優(yōu)化薄膜形貌：

• 晶粒尺寸調(diào)控：富勒烯作為成核劑可誘導(dǎo)鈣鈦礦晶粒定向生長(zhǎng)。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(shù)量，降低復(fù)合損失5。

• 能級(jí)梯度設(shè)計(jì)：通過(guò)梯度摻雜富勒烯衍生物（如C70-ICBA），可在鈣鈦礦層內(nèi)形成級(jí)聯(lián)能級(jí)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)電荷分離。實(shí)驗(yàn)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(shù)挑戰(zhàn)與未來(lái)發(fā)展方向

3.1 現(xiàn)有技術(shù)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(wèn)題：

• 成本與規(guī)?；a(chǎn)：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(fù)性需進(jìn)一步優(yōu)化59。

• 長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足：極端環(huán)境（如高溫高濕）下，富勒烯層可能發(fā)生聚集或氧化，導(dǎo)致界面剝離。例如，未封裝的器件在濕熱測(cè)試（85°C/85% RH）中效率衰減速率仍達(dá)1%/小時(shí)7。

3.2 創(chuàng)新解決方案與前沿探索

• 復(fù)合界面結(jié)構(gòu)：華東理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出石墨烯-PMMA增強(qiáng)策略，通過(guò)機(jī)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(yùn)行3670小時(shí)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(yīng)時(shí)間至2小時(shí)，產(chǎn)率提升至60%以上，同時(shí)減少有機(jī)溶劑用量11。

• 多功能一體化設(shè)計(jì)：將富勒烯與二維材料（如MXene）復(fù)合，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)電荷傳輸、光熱管理和自修復(fù)功能。初步實(shí)驗(yàn)顯示，此類材料的PCE可達(dá)26.3%，且具備抗裂紋擴(kuò)展能力6。

四、商業(yè)化應(yīng)用前景

富勒烯鈣鈦礦電池已在以下領(lǐng)域展現(xiàn)潛力：

1. 柔性可穿戴設(shè)備：結(jié)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。

2. 建筑一體化光伏（BIPV）：半透明器件（平均可見光透過(guò)率>30%）的模組效率達(dá)18.7%，適用于玻璃幕墻集成5。

3. 太空能源系統(tǒng)：富勒烯的耐輻射特性使其在太空極端環(huán)境下（如高能粒子輻照）的性能衰減率較傳統(tǒng)硅基電池降低50%7。

結(jié)論

富勒烯基材料通過(guò)優(yōu)化電子傳輸、鈍化界面缺陷和增強(qiáng)穩(wěn)定性，已成為鈣鈦礦電池性能提升的核心技術(shù)之一。未來(lái)，通過(guò)材料設(shè)計(jì)創(chuàng)新（如多官能團(tuán)修飾）與工藝革新（如卷對(duì)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(shí)現(xiàn)突破，加速其從實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)。