太阳能电池领域富勒烯坚挺辅助

能源危机加重，新能源家族肩负使命任重道远，其中的太阳能电池团队战报捷捷，有机太阳能电池(OSCs)和钙钛矿太阳能电池(pero-SCs)被科学界认为是最具前景的光伏器件。富勒烯衍生物在两种器件中的坚挺辅助功不可没，它分别作为OSCs中的受体材料和pero-SCs阴极缓冲层(CBL)。

首先简单了解一下有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。

有机物太阳能电池的有机光敏带由P型有机半导体构成的给体，N型半导体构成的受体组成。光照时，有机半导体吸收具有一定能量的光子，电子发生跃迁形成束缚态的电子-空穴对，即激子。激子扩散至给受体界面，在界面势垒作用下发生分离，形成自由移动的电子空穴，传输至阴极和阳极被收集，在外电路接通下产生光电流。钙钛矿太阳能电池与有机太阳能电池类似，具有三明治结构，主要的不同在于光敏层，它是有机无机杂化构成的钙钛矿结构。

在过去几年中，在提高两种电池的能量转化效率上取得的巨大进展，主要是通过优化光敏化层和电极缓冲层的材料取得的。就有机太阳能电池来说，设计和合成一种新的共轭层给体材料，使其具有宽的吸收谱，低带隙，低的最高占据分子轨道能级（LUMO）和高的空穴迁移率，将会进一步提高效率。

1.富勒烯衍生物受体

C60具有很高的电导性，由于在有机溶剂中溶解度的低，阻碍了它在有机太阳能电池中的应用。理想的受体材料应在有机物中具有较好溶解性，而且有合适的能级，与给体材料相配合。所以普遍的做法是在富勒烯衍生物上悬挂官能团提高溶解度和LUMO,以达到开路电压最大化的目的。这里中我们将提到一些富勒烯衍生物受体，以及他们的理化、光电性质。

1.1 PCMB和PCMB-like的富勒烯衍生物

在C60的基础上人们首先定向改造出PCMB，这种富勒烯衍生物被认为在有机物中具有更好的溶解性和热稳定性，LUMO和HOMO的差值（差值越小则更容易发生电子跃迁从而产生更多激子）为2.02eV. 而PC70BM的光谱吸收范围更广，LUMO与HOMO差值为1.96eV. 在提升LUMO上学者们做了大量工作，不同的富勒烯衍生物作为受体与相应给体相配合所制成器件的各项数据测试结果如表1.所示：

表1.PCBM和PCBM-like受体的光电性能

表中富勒烯衍生物受体的分子结构如下图所示：

图1. 几种富勒烯衍生物的分子结构图

a)C60改造后的 PCBM和PC70BM改进，具有更好的热稳定性和LUMO.

b) bisPCBM和trisPCBM都是PCBM的原产物，经过加工修饰后形成具有特定性质的产物，如bisPC70BM

c) F1-F5具有更长的甲基链，对紫外光的吸收造成影响

d) 中间烷基链修饰C60可以使得光谱吸收效果降低，但是当P3HT作为给体时，电子迁移速率将大大提高

e) F15-F17是取代苯基团的衍生物，当P3HT作为给体时表现出高的热稳定性

1.2 ICBA和ICBA-like的富勒烯衍生物

以电子富集的茚作为取代基，构成富勒烯衍生物ICBA，使得LUMO 能级相比PCBM提高了0.17eV，太阳能电池的开路电压随之得到提高，实验结果显示，P3HT:ICBA的给受体组合要比P3HT:PCBM在能量转化效率上高出5.44%，开路电压高出0.26V.共受体组合和效率见表2：

表2.PCBM和PCBM-like受体的光电性能