1、论文概览

C₆₀是p-i-n 型钙钛矿太阳能电池（PSCs）中广泛应用的电子传输层（ETL），但商业化量产中，重复热蒸发导致的 C₆₀性能衰减问题严重制约工艺重复性。

沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）Stefaan De Wolf 团队联合普林斯顿大学、马尔马拉大学等机构，在《Nature Communications》发表关键研究：发现商用C₆₀（纯度 99.75%）中的氧气会引发分子聚合，形成 C₁₂₀等高分子量衍生物，导致深能级陷阱与器件性能下降；而通过真空热梯度升华提纯得到的 99.95% 高纯度C₆₀，可完全抑制聚合现象，经 8 次重复蒸发后仍保持稳定光电性能。基于该策略的钙钛矿 / 硅叠层电池实现30.9% 的认证效率，且开路电压（1950 mV）与填充因子（81%）无明显衰减，为钙钛矿光伏技术产业化提供核心工艺支撑，相关成果以 “Sublimed C₆₀ for efficient and repeatable perovskite-based solar cells” 为题发表。

2、技术亮点

揭示衰减机制：首次明确商用 C₆₀重复蒸发性能下降的核心原因——氧气诱导分子聚合形成 C₁₁₀-C₁₂₈等高聚物，引入深能级陷阱；

提出解决方案：真空热梯度升华提纯技术将 C₆₀纯度提升至 99.95%，去除氧气杂质，抑制聚合反应；

工艺稳定性突破：升华 C₆₀经8 次重复热蒸发，电子迁移率、功函数等关键参数保持稳定，器件性能无系统性衰减；

器件性能优异：单结 PSCs 效率达19.06%，钙钛矿 / 硅叠层电池认证效率 30.9%，未封装器件表现出优异稳定性。

3、深度解析

图1通过系统性的器件性能分析揭示了商业级C₆₀源材料在重复热蒸发过程中的性能衰减问题；图中a部分展示了p-i-n型钙钛矿太阳能电池的完整器件结构（ITO/NiOx/MeO-2PACz/钙钛矿/C60/BCP/Ag），b的J-V曲线显示随着C₆₀沉积循环次数增加（从第1次到第8次），器件开路电压从1142 mV逐渐降至1118 mV，填充因子也同步下降，c的统计分布图进一步证实了Voc和FF的系统性衰减趋势，d的钙钛矿/硅叠层电池结构示意图和e的对应性能数据表明该问题在叠层器件中同样存在，这些结果共同证明了商业级C₆₀在重复热循环过程中会发生材料团聚现象，导致电子传输层性能劣化，严重影响器件批次间重复性。

图2通过多种表征手段深入分析了C₆₀薄膜在热循环过程中的光电性能演变；a的准费米能级分裂（QFLS）测试显示随着沉积循环增加，钙钛矿/C60界面的电压损失逐步累积（每次循环约5 meV），b的光热偏转光谱（PDS）吸收谱表明热循环后样品在带隙内出现额外吸收态，c的相位偏移分析进一步证实界面缺陷态增加，d的场效应晶体管测量显示电子迁移率从首次沉积的0.083 cm²/Vs降至第8次的0.034 cm²/Vs，e的紫外光电子能谱（UPS）显示热循环后HOMO能级附近态密度发生变化，f的MALDI-TOF质谱分析首次沉积样品主要显示C₆₀峰（m/z=720），而第8次沉积样品出现C120、C124等高分子量富勒烯衍生物峰，这些结果从多角度证实热循环诱导C₆₀分子发生 coalescence 形成高分子量衍生物，是性能衰减的根本原因。

图3通过高分辨透射电镜（HRTEM）和理论计算揭示了C₆₀ coalescence 的微观机制；a-b的HRTEM图像显示热循环后的C₆₀粉末保持分子级结晶性，但c的局部放大图像中可观察到C₆₀二聚体（直径约0.686 nm）和C120衍生物（直径约1.014 nm）的形成，d的密度泛函理论计算表明钙钛矿与C124界面会在带隙内产生深能级陷阱态，而e的电荷密度差分图显示C₆₀分子上电荷离域分布有利于电子传输，而C124上电荷局域化在界面处阻碍电荷转移，这些微观结构证据完美解释了性能衰减的物理起源——热循环促使C₆₀分子通过氧介导的化学反应形成二聚体和高分子量衍生物，进而引入界面缺陷态和电荷传输势垒。

图4证明了升华纯化处理对C₆₀材料稳定性的显著改善效果；a-b的单结电池统计数据显示使用升华纯化C₆₀（纯度99.95%）后，经过8次沉积循环Voc和FF保持稳定（Voc中值维持在1130 mV附近），c的代表性J-V曲线显示性能无衰减，d-e的钙钛矿/硅叠层电池数据进一步验证了升华C₆₀的稳定性，Voc稳定在1950 mV，FF保持在81%，f的J-V曲线显示冠军叠层电池效率达到30.9%，这些结果与商业级C₆₀的性能衰减形成鲜明对比，表明通过升华纯化去除氧杂质可有效抑制C₆₀团聚现象，为钙钛矿光伏技术的产业化提供了关键材料解决方案。

4、结论展望

本研究通过升华提纯技术解决了C₆₀在钙钛矿电池量产中的核心瓶颈，明确了氧气诱导聚合的衰减机制，为高性能ETL 材料的工艺优化提供关键指导。未来可进一步优化升华工艺以提升产率，开发氧气抗性更强的C₆₀衍生物，或结合界面修饰进一步降低陷阱态密度。该研究不仅为钙钛矿光伏技术的规模化生产扫清关键障碍，也为其他有机电子材料的工艺稳定性优化提供参考范式。

参考文献：Ahmed A. Said, Erkan Aydin, Esma Ugur, et al. Sublimed C₆₀ for efficient and repeatable perovskite-based solar cells. Nature Communications, 2024, 15: 708.

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