金属卤化物钙钛矿因其优异的光电性能和溶液加工特性，已成为新一代光伏技术的重要候选材料。然而，钙钛矿薄膜与电子传输层之间的埋底界面容易积累残余拉应力。在紫外光持续照射下，应力与缺陷会相互促进，引发晶格畸变、杂相生成和界面退化，进而影响器件的光电转换效率与使用寿命。传统界面修饰材料通常只能提供静态的缺陷钝化和结构保护，难以适应器件运行过程中不断变化的光、热和机械环境。因此，如何构建一个能够主动响应工作环境、动态调节界面应力的功能层，是实现钙钛矿太阳能电池高效率与高稳定性协同提升的关键问题。
近日，清华大学材料学院林红教授团队与武汉大学王植平教授团队合作，设计了一种光响应富勒烯分子C60-azo，并将其引入SnO2/钙钛矿埋底界面。该分子在紫外光照射下能够发生可逆的顺反异构，如同微观“分子开关”：一方面主动产生有益的压应力，抵消界面原有的拉应力；另一方面增强对缺陷位点的钝化，并改善界面电荷传输。由此形成动态应变调节与缺陷钝化协同作用的自适应界面。
C60-azo将富勒烯的电子传输特性、偶氮单元的光响应能力和羧基的界面锚定作用集成于同一分子中。分子锚定在SnO2表面后，可以形成稳定、均匀的界面修饰层，并调节界面的润湿性和电势分布，为后续钙钛矿薄膜生长提供良好基础。光谱测试和理论计算表明，C60-azo在紫外光照射下能够快速发生由反式到顺式的结构转变；在模拟太阳光下也可形成一定比例的顺式异构体，说明器件在正常工作光照中即可触发这一分子开关。异构化还会改变分子的极性与空间构型，使其能够动态调节界面的电学和机械环境。
研究团队通过埋底界面应力和物相分析发现，未经调控的钙钛矿薄膜在制备完成后存在明显的残余拉应力。紫外老化会进一步破坏晶格结构，并伴随碘化铅和非光活性钙钛矿杂相生成。引入C60-azo后，分子缓冲层首先释放了薄膜制备过程中形成的初始拉应力，使埋底界面接近无应力状态。受到紫外光激发时，反式分子转变为体积更大的顺式构型，在界面产生适度压应力，从而抵消光照引起的晶格拉伸和结构破坏。与此同时，顺式分子与钙钛矿缺陷位点的结合能力增强，可进一步抑制缺陷生成和化学降解。因此，C60-azo并非简单地“隔离”紫外光，而是将光照转化为一种有益的分子运动，实现“光照触发—应力调节—缺陷钝化”的自适应保护。
基于该策略，研究团队制备的正式（n-i-p）钙钛矿太阳能电池实现了26.60%的最高光电转换效率。在紫外老化过程中，改性薄膜的发光强度和载流子寿命保持得更加稳定，说明界面缺陷的生成得到有效抑制。未封装器件经过488小时连续紫外照射后，仍保持初始效率的92.7%；封装器件在湿热环境和连续光照下进行最大功率点跟踪，运行1000小时后仍保持初始效率的94.7%，展现出优异的抗紫外能力和长期运行稳定性。该研究构建了光响应自适应埋底界面，为实现高效、耐紫外和长寿命钙钛矿太阳能电池提供了新思路。
研究成果以“基于光响应富勒烯的动态应变调控制备高性能耐紫外钙钛矿太阳能电池”（Dynamic Strain Regulation via Photoresponsive Fullerenes Enables High-Performance and UV-Robust Perovskite Solar Cells）为题，于7月23日发表于《先进材料》（Advanced Materials）。
清华大学材料学院2022级博士生杨剑飞为论文第一作者，清华大学材料学院教授林红和武汉大学教授王植平为论文通讯作者。研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.74220
扫一扫关注微信
