光伏技術可以將太陽輻射直接轉換為清潔的電能，成為了人們研究的熱點以及產業布局的重點

能源問題是製約中國發展的關(guan) 鍵因素，當前中國能源結構不容樂(le) 觀，煤炭、石油等化石能源占比高達70%，這些不可再生資源逐漸枯竭，並造成嚴(yan) 重的環境汙染。太陽能是一種清潔高效的能源，是未來替代化石能源的重要選擇，受到我國政府的大力扶持，“十四五”規劃提出“四個(ge) 革命，一個(ge) 合作”能源安全戰略的重要舉(ju) 措，致力於(yu) 在2030年實現非化石能源消費占比20%的戰略目標。因此推動能源革命，建設清潔低碳、安全高效的能源體(ti) 係刻不容緩，探索新興(xing) 能源技術已迫在眉睫。太陽能的利用形式包括光熱轉換、光合作用、光化反應以及光伏發電等，其中光伏技術可以將太陽輻射直接轉換為(wei) 清潔的電能，成為(wei) 了人們(men) 研究的熱點以及產(chan) 業(ye) 布局的重點。

第一代太陽能電池始發於(yu) 20 世紀 50 年代，主要以矽基太陽能電池為(wei) 代表，包括單晶矽、多晶矽太陽能電池。1954 年，貝爾實驗室首次製備出了具備實用價(jia) 值的單晶矽太陽能電池，其能量轉換效率（PCE）高達 6%。經過不斷地完善與(yu) 發展，目前矽基太陽能電池占全球光伏市場的 90%左右。然而，單晶矽太陽能電池理論極限效率僅(jin) 29%，提升空間較小，而且矽基材料存在提煉複雜、汙染環境和造價(jia) 高昂等問題，這限製了第一代太陽能電池的大規模市場化應用。第二代太陽能電池主要包括非晶矽 、碲化鎘（CdTe）和銅銦镓硒（CIGS），具有較薄的吸光層，通常為(wei) 1微米左右，故也被稱為(wei) 薄膜太陽能電池。薄膜太陽能電池具有溫度係數較低，弱光強影響小等特點，可應用於(yu) 光伏建築一體(ti) 化（BIPV）技術中。但是材料來源稀缺，以及重金屬鎘、碲等元素對人體(ti) 和動物存在潛在的毒性，因此無法大規模應用。第三代太陽能電池也被稱為(wei) 新型太陽能電池，主要包括有機太陽能電池（OSC）鈣鈦礦太陽能電池（PSC）以及量子點太陽能電池（QDSC）。有機太陽能電池具備材料來源廣泛、對環境友好和質量輕等特點，並且可采用卷對卷工藝大規模生產(chan) ，可應用於(yu) 很多無機材料電池不能勝任的領域，目前市場占比5%，器件 PCE 已經突破19% 。鈣鈦礦太陽能電池具備可調的帶隙、高的吸收係數和高的載流子遷移率。經過十餘(yu) 年的發展，鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率從(cong) 3.8%提升到了25.6%，已接近矽基太陽能電池的理論極限效率，是未來替代昂貴矽電池的理想選擇。量子點太陽能電池是目前新的太陽能電池之一。吸光範圍可以通過調節顆粒的組份和尺寸來獲得，化學穩定性好，合成過程簡單，具有高消光係數和本征偶極矩，相對於(yu) 體(ti) 相半導體(ti) 材料，采用量子點可以更容易實現電子受體(ti) 和受體(ti) 材料的能級匹配，理論極限效率高達44%，是目前最具研究潛力的太陽能電池之一 。

自 1958 年發明有機光電轉換器件以來，有機太陽能電池經曆單層、雙層異質結和體(ti) 異質結（Bulk het-erojunction，BHJ）等結構。體(ti) 異質結太陽能電池主要由五部分組成：透明電極 、空穴傳(chuan) 輸層 （HoleTransport Layer，HTL）、活性層（Active Layer）、電子傳(chuan) 輸層（Electron Transport Layer，ETL）、金屬電極，依據電極極性的不同分為(wei) 傳(chuan) 統器件結構（p-i-n）和倒置器件結構（n-i-p）（如圖 1）。傳(chuan) 統結構以氧化銦錫（Indium-Tin-Oxide，ITO）為(wei) 陽極，低功函的金屬 Al為(wei) 陰極，互穿網絡結構的給、受體(ti) 組成光活性層。電子傳(chuan) 輸層選用具有低功函數的Ca或LiF，而低功函數材料對氧化敏感，大大降低了器件在空氣中的性能；空穴傳(chuan) 輸層選用 PEDOT:PSS（聚-3,4-乙撐二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸鹽），但PEDOT:PSS顯酸性，會(hui) 腐蝕ITO，器件穩定性較差。為(wei) 了解決(jue) 這一問題，研究人員將空穴傳(chuan) 輸層和電子傳(chuan) 輸層交換位置，開發了倒置器件結構。倒置器件結構以ITO為(wei) 陰極，高功函金屬Ag等作為(wei) 陽極，氧化鉬為(wei) 空穴傳(chuan) 輸層，無機ZnO薄層為(wei) 電子傳(chuan) 輸層。與(yu) 傳(chuan) 統結構相比，倒置結構有更好的穩定性和柔性，更加具有商業(ye) 潛力。

圖 1 傳(chuan) 統(a)和倒置(b)有機太陽能電池結構示意圖

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池分為(wei) 介孔結構和平麵結構。介孔結構由導電玻璃（FTO）、電子傳(chuan) 輸層、金屬氧化物介孔支架（TiO2或 Al2O3）層、鈣鈦礦層、空穴傳(chuan) 輸層和金屬電極（Ag或Au）組成；平麵結構則是簡單的“三明治”結構，省去了需要高溫退火的介孔層，也分為(wei) 正置結構（n-i-p 型）和倒置結構（p-i-n 型）兩(liang) 種（如圖 2）。研究人員發現在正置結構中有十分嚴(yan) 重的遲滯現象，主要原因是電荷傳(chuan) 輸層和鈣鈦礦層之間界麵處的空間電荷積累，而倒置結構盡管PCE較低，但遲滯效應可以忽略不計，目前p-i-n型器件的PCE與(yu) n-i-p型器件（25.6%）相差不大。

圖 2 正置(a)和倒置(b)鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖

在1985年，Curl，Smalley 以及Kroto等科學家發現了富勒烯  ，其獨特的結構和光電性能引起了研究人員的廣泛關(guan) 注。依據結構可以將這些富勒烯材料劃分為(wei) 空心富勒烯、富勒烯衍生物和內(nei) 嵌金屬富勒烯。空心富勒烯以C60和C70為(wei) 主，主要通過Krätschmer-Huffman電弧放電法合成，具有對稱結構，但溶解性差、易聚集，難以實現太陽能電池的產(chan) 業(ye) 化應用。富勒烯衍生物主要為(wei) C60和C70的衍生物，相比於(yu) 空心富勒烯，其溶解度更高，而且可以通過改變基團的種類和數量調控富勒烯的能級。內(nei) 嵌金屬富勒烯不僅(jin) 具有富勒烯碳籠的物理化學性質，還兼具內(nei) 嵌原子或團簇的光致發光、量子物理等特性，目前主要在鈣鈦礦太陽能電池中作為(wei) 空穴傳(chuan) 輸層摻雜劑發揮重要作用。

圖3在鈣鈦礦太陽能電池中作為(wei) 中間層的富勒烯材料分子結構

富勒烯材料具備電子親(qin) 和力高、重組能小、電子遷移率高以及各向同性傳(chuan) 輸特性，被廣泛應用於(yu) 新型太陽能電池中。在有機太陽能電池中，既可以作為(wei) 活性層受體(ti) 接受和傳(chuan) 遞電子，也可以作為(wei) 電子傳(chuan) 輸層更好地兼容活性層材料。另外，研究發現富勒烯及其衍生物能級與(yu) 鈣鈦礦能級匹配性良好 ，並且其獨特的結構可以鈍化鈣鈦礦層或傳(chuan) 輸層的缺陷態，抑製鈣鈦礦的離子遷移，促進電荷提取與(yu) 輸運  。因此富勒烯材料也被應用於(yu) 鈣鈦礦太陽能電池中，可用作鈣鈦礦添加劑、電子傳(chuan) 輸層以及界麵修飾，其中金屬富勒烯還可應用於(yu) 摻雜鈣鈦礦太陽能電池空穴傳(chuan) 輸層中。

此外，富勒烯材料優(you) 異的電子特性，也可以應用於(yu) 量子點太陽能電池中。QDSC主要由光陽極、電解液和對電極三部分組成，其中電解液起捕獲空穴還原量子點的作用，一般是具有氧化還原電對的溶液，也可以是固態空穴傳(chuan) 輸材料。空穴傳(chuan) 輸材料常用 PTAA，而富勒烯類材料可作為(wei) p型摻雜劑摻雜PTAA，有效促進空穴提取，提高器件性能。另外，量子點-富勒烯複合材料能夠實現有效的空間電荷分離，抑製載流子複合，理論計算表明ZnSe量子點-富勒烯體(ti) 係器件的最大效率達18%