钙钛矿太阳能电池作为下一代光伏技术的核心候选者，已实现超过27%的认证效率，与晶硅电池相当。然而，碘离子缺陷在光、热等条件下易被氧化生成挥发性分子碘（I2），这一问题严重制约器件长期稳定性。I2挥发会导致钙钛矿薄膜不可逆分解、形成碘空位缺陷，还会引发银电极腐蚀，尤其在倒置型电池（p-i-n结构）中更为突出。此前虽有研究尝试通过添加捕获剂或氧化还原对来抑制碘流失，但普遍存在电荷传输受阻、碘循环机制复杂等问题，难以兼顾高效率与高稳定性。
近日，大连理工大学精细化工全国重点实验室于泽教授针对这一领域痛点，成功开发出一种兼具碘分子捕获与解离双重功能的哌嗪修饰富勒烯衍生物（PCBM-PA）。密度泛函理论计算和相关实验表明，该材料通过动态碘再生机制，有效解决了钙钛矿太阳能电池（PSCs）在工作条件下碘挥发导致的稳定性问题。同时，PCBM-PA还可以优化钙钛矿表面能级、增强电荷提取和钝化铅缺陷，从而显著提升界面电荷输运、降低非辐射复合损失。基于PCBM-PA界面修饰的倒置钙钛矿电池获得了26.26%的光电转换效率，表现出了良好的光热稳定性。
图1 PCBM-PA在钙钛矿表面的作用机理示意图
研究团队通过分子设计、理论模拟与实验验证相结合的方法，创新性地将哌嗪（PA）基团引入经典电子传输材料PCBM，构建了PCBM-PA多功能界面修饰层。紫外-可见吸收光谱显示，PCBM-PA与I2形成电荷转移复合物；热重分析实验表明PCBM-PA使I2的挥发温度从70 °C提升至130 °C；拉曼光谱检测到I3‒和I5‒特征峰，直接证明I−I键断裂；X射线衍射（XRD）分析表明，PCBM-PA修饰的FAPbI3钙钛矿薄膜在碘蒸气处理后发生δ相到α相的转变，证实再生碘离子可填补空位缺陷，实现钙钛矿薄膜的动态修复。
图2 PCBM-PA修饰的钙钛矿太阳能电池器件的光电性能表征以及稳定性提升的研究
基于PCBM-PA的倒置钙钛矿太阳能电池获得了26.26%的冠军效率（Voc = 1.18 V，Jsc = 26.23 mA cm⁻⟡，FF = 85.08%），较对照组（24.53%）显著提升。更重要的是，未封装器件在65 °C连续MPPT测试1000小时后仍保持93.2%的初始效率（对照组仅77.5%）。XRD和EDS分析表明PCBM-PA有效抑制了d相生成和Ag电极腐蚀（I/Ag原子比仅从0.25增至0.37，对照组从0.27飙升至3.11），从而起到稳定钙钛矿和保护银电极的双重作用。
上述研究成果以“Dynamic Iodide Regeneration Enabled by Piperazine-Tailored PCBM Interfaces for Photothermally Stable and Efficient Inverted Perovskite Photovoltaics”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上（https://doi.org/10.1002/anie.6909224）。论文的第一作者为大连理工大学博士研究生陈雨龙和埃因霍温科技大学博士研究生吴子衿。论文通讯作者为大连理工大学于泽教授和埃因霍温科技大学陶书霞教授。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及教育部前沿科学中心的资金支持。
