钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借低成本、高光电转化效率的优势，成为新一代光伏技术的核心研究方向。但长期以来，离子/分子无序迁移与电荷传输低效的核心矛盾，以及碘离子流失、银电极金属扩散、水汽侵入等降解问题，严重阻碍了其规模化商业化应用。
针对这一行业痛点，上海交通大学杨旭东、韩礼元团队联合日本物质材料研究机构开展深度攻关，相关成果以 “Diffusion engineering of ions and charge carriers for stable efficient perovskite solar cells” 为题成功发表于顶级期刊《Nature Communications》（DOI: 10.1038/ncomms15330）。研究团队创新性设计出一款复合纳米碳功能层，依托扩散工程技术实现双向精准调控，在高效阻隔有害离子、分子扩散的同时，大幅加速光生电荷传输提取，完美平衡了钙钛矿电池的效率与稳定性难题。
一、核心创新：多功能纳米碳层双向调控机制
本次研究构建的纳米碳层为复合结构，由N掺杂石墨烯、PCBM富勒烯衍生物、碳量子点（CQDs）三种材料协同组成，兼具离子阻隔与电荷增效双重核心功能，彻底突破传统PCBM电子传输层的性能局限。
在离子阻隔层面，纳米碳层中的N掺杂石墨烯可大幅延长离子扩散路径，其离子分子阻挡能力是同等厚度传统PCBM层的3倍，可全方位抑制三类器件降解行为：阻断钙钛矿层碘离子向外流失、阻挡银电极原子向钙钛矿活性层扩散、隔绝外界水分子侵入器件内部，从根源遏制器件老化失效。
在电荷传输层面，该纳米碳层可显著提升电子传导性能，将电子扩散系数提升至7.80×10⁻⁵ cm²/s，是纯PCBM材料的5.3倍，有效加快光生电子的提取与传输速率，减少电荷堆积损耗。同时CQDs可消除PCBM与银电极界面的肖特基势垒，形成稳定欧姆接触，进一步优化界面电荷传输效率。
二、器件结构与能级体系表征
图1 钙钛矿电池器件结构、纳米碳层功能示意图及能级结构图
本研究采用平面异质结器件结构，整体叠层顺序为FTO/NiMgLiO（20 nm）/MAPbI₃（350 nm）/G-PCBM（50–200 nm）/CQDs（10 nm）/Ag（100 nm），其中G-PCBM为掺杂2% N掺杂石墨烯的改性PCBM材料。
研究通过紫外光电子能谱仪（UPS）完成能级结构测试，精准测得CQDs导带能级为-4.1 eV，该能级匹配特性可有效优化电极界面接触状态，抑制光生载流子复合，为高效电荷传输提供能级基础。同时依托高精度镀膜工艺，实现各功能层厚度精准可控，保障器件结构稳定性。
三、离子阻隔性能验证
图2 不同电子传输层器件的离子扩散与电极形貌表征图
为直观验证纳米碳层的离子阻隔效果，研究团队在100℃氮气氛围热老化条件下加速器件降解，通过多种精密表征仪器完成对比测试。
利用扫描电镜-能谱联用仪（SEM-EDX）对器件截面进行元素面扫分析，结果清晰显示：50 nm纯PCBM器件中，碘离子可穿透传输层扩散至银电极；而150 nm G-PCBM改性器件可完全阻断碘离子层间扩散，无明显元素迁移现象。
借助X射线光电子能谱仪（XPS）完成定量分析，测试证实G-PCBM改性器件银电极表面的碘元素信号强度，仅为同等厚度纯PCBM器件的1/3，量化证明了石墨烯改性的优异阻隔性能。同时场发射扫描电子显微镜（SEM）形貌观测结果显示，普通PCBM器件的银电极因碘离子腐蚀出现粗糙破损，而G-PCBM器件电极形貌完整光滑，进一步佐证了改性层的防护作用。
四、器件光电性能与长期稳定性测试
图3 器件光电性能与长期稳定性测试曲线
研究依托太阳能模拟器、数字源表、IPCE测试系统完成器件光电性能测试，针对1.02 cm²大面积器件开展系统表征。测试结果显示，优化后CQDs/G-PCBM器件正向扫描光电转换效率达17.0%，反向扫描达17.4%，滞后效应微弱，开路电压可达1.09 V，填充因子优异，经权威机构认证的稳定效率为15.6%。同时入射光子-电流转换效率测试仪（IPCE）测试的积分电流，与J-V测试短路电流高度匹配，证明器件光电响应稳定可靠。
长效稳定性测试数据尤为亮眼：密封器件在室温黑暗环境存放5000 h、AM 1.5G标准太阳光持续光照1000 h后，效率始终稳定维持在15%以上；严苛的85℃高温热老化500 h测试中，器件效率保有率高达98%。反观同等厚度纯PCBM对比器件，热老化后效率衰减20%，充分凸显纳米碳层对器件稳定性的大幅提升效果。
五、载流子动力学机理深度解析
图4 器件电荷提取与载流子复合动力学表征曲线
为探明性能优化的底层机理，研究利用稳态光致发光光谱仪（PL）、时间分辨光致发光光谱仪（TRPL）分析薄膜电荷提取特性。测试显示，纯钙钛矿薄膜载流子寿命超100 ns，钙钛矿/PCBM薄膜寿命为10.8 ns，而钙钛矿/G-PCBM改性薄膜寿命仅7.08 ns，且荧光淬灭效果更强，证明改性纳米碳层具备更优异的快速电荷提取能力。
研究进一步通过瞬态光电流（TPC）、瞬态光电压（TPV）测试系统量化载流子传输与复合特性：改性器件电荷传输时间常数仅0.48 μs，远快于传统PCBM器件的5.36 μs；电荷复合时间常数达109.45 μs，显著高于对照组。这一数据充分说明，G-PCBM纳米碳层可同步实现加速电荷传输、抑制载流子复合，是器件兼顾高效率、高稳定性的核心机理。
六、研究总结与技术价值
该研究创新性提出扩散工程调控策略，通过构筑N掺杂石墨烯/PCBM/CQDs复合纳米碳层，成功破解了钙钛矿太阳能电池“效率-稳定性”制衡难题。该方案可从根源抑制离子扩散、电极腐蚀、水汽侵入等多重降解路径，同时大幅优化电荷传输动力学，实现了大面积、高效率、长寿命钙钛矿器件的稳定制备，为钙钛矿光伏技术的商业化落地提供了成熟可行的核心方案。未来通过优化纳米碳层组分配比、适配多元钙钛矿体系、结合先进封装技术，可进一步拓宽其应用场景。
实验室技术支持
钧研实验室可为本方向科研人员、学生提供全套钙钛矿太阳能电池相关测试技术支持，涵盖SEM、XPS、UPS、PL、TRPL、TPC、TPV、IPCE、J-V特性测试、热老化、光浸泡稳定性测试等全流程表征服务，可精准完成薄膜形貌、元素组分、能级结构、载流子动力学、器件光电性能及长效稳定性的系统化测试分析，助力各类钙钛矿光伏相关课题研究与论文成果产出。
相关论文信息：Enbing Bi, Han Chen, Fengxian Xie, et al. Diffusion engineering of ions and charge carriers for stable efficient perovskite solar cells. Nature Commun., 2017, 8: 15330. https://doi.org/10.1038/ncomms15330
