能源問題是制約中國發展的關鍵因素，當前中國能源結構不容樂觀，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，并造成嚴重的環境污染。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“四個革命，一個合作”能源安全戰略的重要舉措，致力于在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、安全高效的能源體系刻不容緩，探索新興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清潔的電能，成為了人們研究的熱點以及產業布局的重點。

第一代太陽能電池始發于 20 世紀 50 年代，主要以硅基太陽能電池為代表，包括單晶硅、多晶硅太陽能電池。1954 年，貝爾實驗室首次制備出了具備實用價值的單晶硅太陽能電池，其能量轉換效率（PCE）高達 6%。經過不斷地完善與發展，目前硅基太陽能電池占全球光伏市場的 90%左右。然而，單晶硅太陽能電池理論極限效率僅29%，提升空間較小，而且硅基材料存在提煉復雜、污染環境和造價高昂等問題，這限制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硅 、碲化鎘（CdTe）和銅銦鎵硒（CIGS），具有較薄的吸光層，通常為1微米左右，故也被稱為薄膜太陽能電池。薄膜太陽能電池具有溫度系數較低，弱光強影響小等特點，可應用于光伏建筑一體化（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，并且可采用卷對卷工藝大規模生產，可應用于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、高的吸收系數和高的載流子遷移率。經過十余年的發展，鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率從 3.8%提升到了25.6%，已接近硅基太陽能電池的理論極限效率，是未來替代昂貴硅電池的理想選擇。量子點太陽能電池是目前新的太陽能電池之一。吸光范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，具有高消光系數和本征偶極矩，相對于體相半導體材料，采用量子點可以更容易實現電子受體和受體材料的能級匹配，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，有機太陽能電池經歷單層、雙層異質結和體異質結（Bulk het-erojunction，BHJ）等結構。體異質結太陽能電池主要由五部分組成：透明電極 、空穴傳輸層 （HoleTransport Layer，HTL）、活性層（Active Layer）、電子傳輸層（Electron Transport Layer，ETL）、金屬電極，依據電極極性的不同分為傳統器件結構（p-i-n）和倒置器件結構（n-i-p）（如圖 1）。傳統結構以氧化銦錫（Indium-Tin-Oxide，ITO）為陽極，低功函的金屬 Al為陰極，互穿網絡結構的給、受體組成光活性層。電子傳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，會腐蝕ITO，器件穩定性較差。為了解決這一問題，研究人員將空穴傳輸層和電子傳輸層交換位置，開發了倒置器件結構。倒置器件結構以ITO為陰極，高功函金屬Ag等作為陽極，氧化鉬為空穴傳輸層，無機ZnO薄層為電子傳輸層。與傳統結構相比，倒置結構有更好的穩定性和柔性，更加具有商業潛力。

圖 1 傳統(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介孔結構和平面結構。介孔結構由導電玻璃（FTO）、電子傳輸層、金屬氧化物介孔支架（TiO2或 Al2O3）層、鈣鈦礦層、空穴傳輸層和金屬電極（Ag或Au）組成；平面結構則是簡單的“三明治”結構，省去了需要高溫退火的介孔層，也分為正置結構（n-i-p 型）和倒置結構（p-i-n 型）兩種（如圖 2）。研究人員發現在正置結構中有十分嚴重的遲滯現象，主要原因是電荷傳輸層和鈣鈦礦層之間界面處的空間電荷積累，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注。依據結構可以將這些富勒烯材料劃分為空心富勒烯、富勒烯衍生物和內嵌金屬富勒烯。空心富勒烯以C60和C70為主，主要通過Kr?tschmer-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業化應用。富勒烯衍生物主要為C60和C70的衍生物，相比于空心富勒烯，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。內嵌金屬富勒烯不僅具有富勒烯碳籠的物理化學性質，還兼具內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空穴傳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中間層的富勒烯材料分子結構

富勒烯材料具備電子親和力高、重組能小、電子遷移率高以及各向同性傳輸特性，被廣泛應用于新型太陽能電池中。在有機太陽能電池中，既可以作為活性層受體接受和傳遞電子，也可以作為電子傳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鈣鈦礦能級匹配性良好 ，并且其獨特的結構可以鈍化鈣鈦礦層或傳輸層的缺陷態，抑制鈣鈦礦的離子遷移，促進電荷提取與輸運  。因此富勒烯材料也被應用于鈣鈦礦太陽能電池中，可用作鈣鈦礦添加劑、電子傳輸層以及界面修飾，其中金屬富勒烯還可應用于摻雜鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸層中。

此外，富勒烯材料優異的電子特性，也可以應用于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輸材料。空穴傳輸材料常用 PTAA，而富勒烯類材料可作為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-富勒烯復合材料能夠實現有效的空間電荷分離，抑制載流子復合，理論計算表明ZnSe量子點-富勒烯體系器件的最大效率達18%