南方科技大学，Nature Materials！

▲第一作者：Kui Feng、Guoliang Wang

通讯作者：Kui Feng、Qing Lian、Xugang Guo、Antonio Facchetti

通讯单位：南方科技大学，乔治亚理工学院

论文doi：10.1038/s41563-025-02163-4 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

背景介绍

钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）因其高效率、低成本和溶液可加工等优势，成为光伏领域的研究热点。 其中，电子传输材料（ Electron-Transporting Materials, ETMs ）是倒置 PSCs 的关键组件 ，用于优化从钙钛矿层到阴极的电子提取。传统富勒烯类ETMs（如C₆₀和PCBM） 虽被广泛使用，但存在明显缺陷： C₆₀ 需热蒸发工艺，难以大规模生产； PCBM 成本高、光热稳定性差，且电子迁移率低。这些问题严重制约了 PSCs 的性能提升和商业化进程。因此，开发新型非富勒烯 ETMs 成为突破瓶颈的关键方向。

本文亮点

1. 本工作提出了一种 新型非富勒烯 ETM— —氰基功能化 双 噻吩酰亚胺二聚体（CNI2）基聚合物（PCNI2-BTI）的 突破性设计 。 通过氰基功能化双噻吩酰亚胺二聚体（ CNI2 ）构建聚合物 PCNI2-BTI ，兼具高电子迁移率（ >0.2 cm² V⁻¹ s⁻¹ ）、优异光热稳定性（分解温度 >400°C ）和强界面相互作用。

2. 本工作实现了倒置 PSCs 效率与稳定性的双重突破。基于 PCNI2-BTI 的倒置 PSCs 实现 26.0% 的认证效率（稳态输出 25.4% ），是目前非富勒烯 ETMs 的最高纪录。通过优化 ETM 厚度（ 35 nm ）和界面接触，填充因子（ FF ）提升至 86.44% ，开路电压（ Vₒc ）达 1.179 V 。

3. 除 PCNI2-BTI 外，另设计三种 CNI2 基聚合物（ PCNI2-DPP 、 PCNI2-BFI 、 PCNI2-BSeI ），平均效率均超过 25% ，最高达 26.1% 。

4. 通过 DFT 计算和实验验证，明确氰基官能团对界面相互作用的关键贡献，为 ETMs 设计提供普适性指导。宽禁带钙钛矿（ 1.65 eV ）器件中， PCNI2-BTI 仍保持 21.5% 效率，展示其广泛适用性。

图文解析

图 1. ETMs 的化学结构与物理化学性质

要点：

1、 化学结构对比如图 1a 所示。传统富勒烯 ETMs （ C₆₀ 、 PCBM ）与新型非富勒烯 ETMs （ PBTI2-BTI 、 PCNI2-BTI ）的结构差异： PCNI2-BTI 引入氰基（ -CN ），增强分子极性和界面相互作用。

2、 氰基功能化显著降低 LUMO 能级（ -3.95 eV ），与钙钛矿导带（ -3.57 eV ）匹配度更高，促进电子提取。

3、 电子传输路径优化如图 1b 所示。 PCBM 的球形结构导致无序堆积，电子传输各向同性但效率低； PCNI2-BTI 平面骨架形成面朝上（ face-on ）排列（图 1c ），垂直方向 π-π 堆叠增强，电子迁移率提升。

4、UPS 测试显示， PCNI2-BTI 的 LUMO 与钙钛矿导带差值（ ΔE ₗ UMO ）最小，减少能量损失；同时，氰基和羰基与钙钛矿表面未配位 Pb²⁺ 形成强 Lewis 酸碱作用，有效钝化缺陷。

图 2. ETMs 的热性能、电子传输特性与微观结构

要点：

1、 接下来，本工作展示了 ETMs 的热稳定性与光稳定性。 PCNI2-BTI 的分解温度（ T₄ ） >400°C ，高于 PCBM （ 388°C ）和 PBTI2-BTI （ 381°C ）；紫外老化 200 小时后， PCNI2-BTI 吸收光谱变化最小，光稳定性突出。

2、OTFT 和 SCLC 测试表明， PCNI2-BTI 的电子迁移率（ 0.17 cm² V⁻¹ s⁻¹ ）是 PCBM 的 3 倍以上，归因于其高结晶度和面朝上分子取向。

3、GIWAXS 显示 PCNI2-BTI 薄膜存在（ 010 ）衍射峰（面外方向），表明 π-π 堆叠紧密；而 PCBM 呈无定形结构，电子传输各向同性但效率低。

图 3. 钙钛矿 /ETM 界面形貌与电子动力学

要点：

1、AFM 和 KPFM 显示， PCNI2-BTI 覆盖的钙钛矿表面粗糙度（ 7.8 nm ）低于 PCBM （ 8.5 nm ），接触电势分布更均匀，减少载流子复合。

2、 图 3 展示了载流子寿命提升。稳态 / 瞬态 PL 测试表明， PCNI2-BTI 器件的载流子寿命最长（ τ=50 ps ），非辐射复合损失显著降低。

3、SCLC 测试中， PCNI2-BTI 的陷阱填充电压（ V_TFL=0.23 V ）远低于 PCBM （ 0.25 V ），表明其界面缺陷密度最低，提升器件填充因子。

图 4. 界面相互作用与缺陷钝化机制

图 5. 器件性能与长期稳定性

要点：

1、DFT 模拟显示， PCNI2-BTI 的氰基与 Pb²⁺ 形成 Pb-N 键（键长 2.01 Å ），羰基与 Pb²⁺ 形成 Pb-O 键（键长 2.56 Å ），结合能（ -4.02 eV ）高于 PCBM （ -3.38 eV ）。

2、 钙钛矿 /PCNI2-BTI 界面的导带最低能级（ CB ）比 PCBM 体系低 0.17 eV ，促进电子离域化传输。 FTIR 和 XPS 显示， PCNI2-BTI 的氰基峰（ 2033 → 2027 cm⁻¹ ）和 Pb 4f 结合能显著偏移，证实强界面相互作用。

3、 器件性能与长期稳定性如图 5 所示。 PCNI2-BTI 器件的 J-V 曲线显示最高效率 26.0% （ Vₒc=1.179 V ， J ₛ c=25.35 mA cm⁻² ， FF=86.44% ）， EQE 积分电流与实测值高度吻合。

4、 接下来本工作展示了批次一致性与拓展性。 40 个器件的平均效率为 25.5±0.3% ，合成三批次材料（分子量 16.2–18.5 kDa ）均保持 >25.6% 效率，证明工艺稳定性。

5、 封装器件在 65°C 、 60% 湿度下连续运行 1280 小时后仍保持 80% 初始效率，远超 PCBM 器件（ 759 小时），且无机缓冲层（ SnOₓ ）进一步提升热稳定性。

总结与展望

本文通过分子工程策略设计出氰基功能化非富勒烯 ETM——PCNI2-BTI ，解决了传统富勒烯材料在效率、稳定性和成本上的瓶颈。其高电子迁移率、强界面钝化作用和优异光热稳定性，使倒置 PSCs 效率突破 26% ，并具备长时稳定性。此外，多体系验证和普适性设计原则为非富勒烯 ETMs 的未来发展提供了重要指导，推动钙钛矿光伏技术向商业化迈出关键一步。

原文链接：

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