在全球清洁能源竞赛中，单片钙钛矿/硅叠层太阳能电池（PSTSC）已成为最具商业前景的技术，有望超越29.4%的理论单结Shockley-Queisser效率极限。2026年5月，一项开创性的研究里程碑重新定义了 钙钛矿太阳能电池效率. 的边界。由中国科学院宁波材料技术与工程研究所（NIMTE）叶继春教授领导的科学家合作团队，在1平方厘米的叠层电池上实现了前所未有的33.33%的功率转换效率（认证值为32.89%）。.
该研究发表于2026年5月21日的权威期刊 《Matter》 上，介绍了一种创新的“峰值选择性钝化”（PSP）策略。研究人员利用100纳米聚苯乙烯纳米球作为模板，将30纳米厚的氧化铝（Al₂O₃）绝缘层精确沉积在金字塔纹理工业硅底电池的峰顶上。这一策略战略性地阻断了局部漏电路径，并最大限度地减少了 界面能量损失 在纹理化结处的发生。.
然而，随着叠层架构向这些高性能领域扩展，活性界面的物理完整性变得高度敏感。为了维持33.33%的效率阈值并防止快速退化，电子传输层（ETL）的质量——历史上主要由 富勒烯C60主导——必须达到毫不妥协的标准。过渡到 无金属 富勒烯C60 前驱体已成为保护脆弱钝化层并防止灾难性电荷陷阱形成的强制性要求。.
1. 倒置叠层电池中界面能量损失的化学原理
倒置（p-i-n）钙钛矿顶电池的性能在很大程度上取决于多晶钙钛矿吸收层与上方 C60 ETL之间的界面。在这些器件中，光吸收会产生束缚的电子-空穴对（激子），这些激子必须在传输边界处分离并提取。.
然而，多晶钙钛矿的表面天然富含缺陷态——主要是欠配位的铅（Pb²⁺）中心、卤化物（碘化物）空位以及Pb-I反位缺陷。这些未钝化的悬挂键在带隙内引入了局部能级，充当非辐射复合路径。.
当电子和空穴在这些缺陷位点发生非辐射复合时，它们的能量会转化为热量而非电能，导致严重的 界面能量损失 限制了太阳能电池的开路电压（V_oc）。.
为了抑制这种复合，现代器件采用了复杂的 钙钛矿钝化策略. 。这涉及使用分子桥接剂（例如自组装单分子层，如Me-4PACz或二羧酸）或超薄绝缘金属氧化物（如NIMTE设计的Al₂O₃峰值钝化层）来化学结合并中和表面缺陷。.
虽然这些钝化层非常有效，但它们在结构上很脆弱，厚度仅为纳米级。如果后续的C60 ETL含有化学或金属杂质，它可能会降解或化学破坏这些底层钝化层，抵消其有益效果，并导致电池效率崩溃。.
2. 过渡金属杂质：高效电池的破坏者
几十年来，商业富勒烯的大规模生产一直依赖于Huffman-Krätschmer石墨电弧放电法。这一物理过程涉及在高压电流下蒸发固态碳电极。.
为了稳定等离子体电弧并催化封闭碳笼的产率，制造商必须在石墨阳极中掺杂过渡金属，主要是镍（Ni）、钴（Co）、铁（Fe）和铜（Cu）。.
因此，原始的电弧放电富勒烯烟灰含有大量的重金属。即使经过多轮酸洗和工业级高效液相色谱纯化，亚ppm级到高ppm级的这些过渡金属仍会与最终的C60粉末相关联。.
在高效光电器件中，这些残留金属充当了强效的光猝灭剂和“深能级陷阱”。虽然靠近带边的浅能级陷阱会暂时捕获并热释放电荷载流子，但位于半导体带隙中部附近（0.5至0.7 eV）的深能级陷阱会永久性地固定电子。.
在钙钛矿/C60界面，这些金属杂质充当Shockley-Read-Hall（SRH）复合中心。光生载流子的捕获及随后的非辐射复合可以通过标准的SRH速率方程进行数学建模：
U_SRH = (np – n_i²) / [τ_p (n + n₁) + τ_n (p + p₁)]
其中n和p是自由电子和空穴的密度，n_i是本征载流子浓度，τ_n和τ_p是载流子寿命。金属深能级陷阱的引入极大地缩短了这些寿命，将电能转化为非辐射热量，这直接增加了 界面能量损失 并限制了整体的填充因子（FF）和V_oc。.
此外，在持续的工作应力下，这些金属离子可能迁移穿过钙钛矿层，导致结构晶格畸变，促进卤化物偏析，并降解新开发的Al₂O₃峰值钝化结构。.
3. 无金属的必要性：燃烧合成如何解锁33.33%的PCE
为了达到33.33% 钙钛矿太阳能电池效率 阈值，研究人员必须使用完全不含过渡金属失活风险的C60前驱体。这是通过过渡到气态 连续燃烧 合成工艺实现的。.
作为一种高度可控的化学替代方法，该方法将富含碳的烃类气体（例如苯-氧混合物）注入低压反应室。在稳态层流平面火焰中，前驱体经历部分热解而非燃烧。.
在维持在1200°C至1500°C的温度下，碳原子无需任何过渡金属催化剂即可自组装成封闭笼状、高度对称的二十面体C60和C70结构。.
这种连续化学途径为先进的钙钛矿研发提供了显著优势：
- 本质上无金属： 由于合成过程完全在无固态石墨阳极或过渡金属促进剂的条件下进行，所得富勒烯烟灰天然不含重金属（Ni、Co、Fe、Cu < 0.1 ppm），从而防止了任何深能级陷阱态的形成。.
- 保护钝化层： 完全不存在腐蚀性金属离子，保护了脆弱的 钙钛矿钝化策略 （例如Al₂O₃和Me-4PACz）的结构完整性，维持了优化的能级排列并抑制了非辐射复合。.
- 增强的相稳定性： 无金属富勒烯表现出优异的结构堆积和形态稳定性，能够抵抗在持续光和热应力下通常发生的相分离和结晶衰减。.
4. B2B采购与质量保证标准
为了支持旨在重现NIMTE历史性叠层效率基准的全球实验室和制造商，, 碳伯斯 （厦门 Carbonsphere 贸易有限公司）与生物技术先驱 福迩金, 提供99.95%超纯、制药/研究级富勒烯。.
通过利用Healthyking先进且获得专利的 连续燃烧 技术，Carbonsphere提供大量C60，这些C60轻松满足高效有机和钙钛矿器件严格的零金属要求。.
每批次产品均附有全面的分析验证报告：
- HPLC峰面积积分： 高效液相色谱法（使用专用色谱柱，如Develosil RPFULLERENE）用于验证确切的化学纯度（99.95%+），并确保C60和C70峰的完全分离。.
- MALDI-TOF质谱法： 正离子质谱在m/z = 720处解析出一个单一的尖锐峰，并伴有清晰的碳同位素分布，证明了完全不存在金属加合物、溶剂残留或无定形烟灰。.
常见问题解答
为什么传统C60会受到过渡金属污染？
传统C60采用电弧放电法制造，该方法在大电流下蒸发固态石墨电极。为了催化碳蒸发并提高富勒烯结构的产率，制造商在这些石墨棒中浸渍了金属催化剂，如镍、钴和铁。这些金属作为难以去除的杂质与最终产品相关联。.
C60中的金属杂质如何导致界面能量损失？
残留的过渡金属在半导体带隙中部附近（0.5至0.7 eV）引入局部缺陷态，充当“深能级陷阱”。这些态固定了可移动的电子，并充当高活性的Shockley-Read-Hall复合中心。光生电子和空穴在这些位点湮灭，将电能转化为热量，导致显著的能量损失。.
NIMTE使用的峰值选择性钝化（PSP）策略是什么？
由NIMTE叶继春教授团队开发的PSP策略，使用100纳米聚苯乙烯纳米球作为模板，将30纳米厚的Al₂O₃绝缘层沉积在金字塔纹理硅底电池的峰顶上。这精确地阻断了局部漏电路径，并增强了顶部钙钛矿层的覆盖，将叠层电池效率推至33.33%。.
如何 连续燃烧 生产无金属富勒烯？
连续燃烧是一种稳态化学过程，在低压平面火焰中热解气态或液态碳氢化合物。碳原子在气相中热分解并自然地自组装成稳定的富勒烯笼。这完全绕过了对过渡金属催化剂的需求，从而得到本质上无金属的产品。.
参考文献
- 中国科学院。（2026年5月28日）。. 中国研究人员设计新策略提升太阳能电池性能. “
- Yang, W., Yang, Z., Lin, Z., Ye, J., 等. (2026年5月21日). 金字塔峰选择性钝化实现效率为32.91%的钙钛矿/硅叠层太阳能电池. Matter, DOI: 10.1016/j.matt.2026.102824.()“
- 《德国应用化学》。（2026年4月）. 通过桥接工程重构界面能量学以实现高效反式钙钛矿太阳能电池及组件. “
- 物理化学化学物理. (2025年). 低压燃烧法连续合成富勒烯及其他碳纳米材料. “
- Carbonsphere高纯度纳米材料. (2026年). 富勒烯C60与C70光伏级技术规范.
