2025-03-04 | 科研部 南科大郭旭岗团队在基于n-型高分子半导体的高性能钙钛矿太阳能电池研究中取得重要进展

近日，南方科技大学材料科学与工程系教授郭旭岗、研究副教授冯奎、研究助理教授廉卿与合作团队在 Nature Materials 期刊上发表了题为“Non-Fullerene Electron Transporting Materials for High-Performance and Stable Perovskite Solar Cells”的研究论文，团队开发出高性能n-型高分子半导体，作为电子传输层在钙钛矿太阳能电池中取得了优异的器件性能，并揭示了n-型高分子半导体在钙钛矿光伏器件中作为非富勒烯电子传输材料的设计规律。

反式（p-i-n结构）钙钛矿太阳能电池作为第三代光伏技术的代表，凭借其高能量转化效率（>26%）、可低温溶液法加工以及易于器件集成等优势，已成为新能源领域的研究焦点。广大科研人员通过不断探索，致力于新型空穴传输材料（HTM）的开发，结合器件界面工程及钙钛矿晶粒优化策略，显著提升了器件的能量转换效率（PCE）和稳定性。然而，在器件中，电子传输材料（ETM）和空穴传输材料同等重要，对促进电子从钙钛矿层至阴极的高效转移起决定性作用，但发展高性能的电子传输材料极具挑战。相比空穴传输材料，发展高性能电子传输材料的相关研究明显滞后，是限制领域进一步发展所面临的关键瓶颈。

当前，富勒烯及其衍生物，特别是C₆₀，以优异的电子传输能力成为反式钙钛矿太阳能电池中的基准电子传输材料，但其高温真空蒸镀的加工方式大大增加了器件制备的复杂性，严重阻碍了大规模工业化生产的步伐。相比之下，富勒烯衍生物 PCBM 虽可溶液法加工，却面临合成成本高、器件界面稳定性欠佳以及在光照与热应力下易发生相分离的困境，直接影响了器件的耐用性与寿命。因此，如何设计高效且稳定的非富勒烯电子传输材料是推动钙钛矿光伏领域进步的关键所在。

图1 非富勒烯电子传输材料设计思路

针对这一挑战，团队通过对已报道的代表性非富勒烯电子传输材料性质的深入分析，精准定位高性能电子传输材料所需的关键特性，包括光热稳定性、低能级、高电子迁移率、强疏水性及多钝化基团等，旨在满足电子高效传导和对活性层钝化保护的双重需求。基于这些性质要求，团队成功开发出以氰基功能化噻吩酰亚胺（CNI2）基n-型高分子半导体 PCNI2-BTI 为代表的一系列高性能电子传输材料。

图2 电子传输材料的性质与器件性能

研究结果表明，PCNI2-BTI 展现出超越经典 PCBM 的优异特性，包括更出色的光热稳定性、更有利的垂直电子传输取向、更高的电子迁移率与提取效率、更强的疏水性以及界面螯合效应。这些优势使得基于 PCNI2-BTI 的反式钙钛矿太阳能电池器件实现了最高26.0%的能量转化效率，并在 ISOS-L-3 测试条件下展现出优异的器件运行稳定性，T80 寿命接近1300小时，远超基于 PCBM 的器件。此外，该设计策略还成功指导合成了多种基于 CNI2 的新型非富勒烯高分子电子传输材料，其器件最高能量转化效率达到26.1%，充分验证了该设计策略的有效性和普适性。这一研究成果为钙钛矿光伏器件中高效稳定电子传输材料的设计开辟了新路径，推动了钙钛矿光伏领域的进一步发展。

南方科技大学为论文第一单位，冯奎和澳大利亚悉尼大学王国良博士为论文共同第一作者，郭旭岗、冯奎、廉卿和美国佐治亚理工学院 Antonio Facchetti 教授为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金和深圳市科创局的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02163-4

供稿：材料科学与工程系

通讯员：邓雅丽

主图：丘妍

编辑：曾昱雯