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太陽能電池領(lǐng)域富勒烯堅挺輔助

能源危機(jī)加重，新能源家族肩負(fù)使命任重道遠(yuǎn)，其中的太陽能電池團(tuán)隊?wèi)?zhàn)報捷捷，有機(jī)太陽能電池(OSCs)和鈣鈦礦太陽能電池(pero-SCs)被科學(xué)界認(rèn)為是最具前景的光伏器件。富勒烯衍生物在兩種器件中的堅挺輔助功不可沒，它分別作為OSCs中的受體材料和pero-SCs陰極緩沖層(CBL)。

首先簡單了解一下有機(jī)太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池。

有機(jī)物太陽能電池的有機(jī)光敏帶由P型有機(jī)半導(dǎo)體構(gòu)成的給體，N型半導(dǎo)體構(gòu)成的受體組成。光照時，有機(jī)半導(dǎo)體吸收具有一定能量的光子，電子發(fā)生躍遷形成束縛態(tài)的電子-空穴對，即激子。激子擴(kuò)散至給受體界面，在界面勢壘作用下發(fā)生分離，形成自由移動的電子空穴，傳輸至陰極和陽極被收集，在外電路接通下產(chǎn)生光電流。鈣鈦礦太陽能電池與有機(jī)太陽能電池類似，具有三明治結(jié)構(gòu)，主要的不同在于光敏層，它是有機(jī)無機(jī)雜化構(gòu)成的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。

在過去幾年中，在提高兩種電池的能量轉(zhuǎn)化效率上取得的巨大進(jìn)展，主要是通過優(yōu)化光敏化層和電極緩沖層的材料取得的。就有機(jī)太陽能電池來說，設(shè)計和合成一種新的共軛層給體材料，使其具有寬的吸收譜，低帶隙，低的最高占據(jù)分子軌道能級（LUMO）和高的空穴遷移率，將會進(jìn)一步提高效率。

1.富勒烯衍生物受體

C60具有很高的電導(dǎo)性，由于在有機(jī)溶劑中溶解度的低，阻礙了它在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用。理想的受體材料應(yīng)在有機(jī)物中具有較好溶解性，而且有合適的能級，與給體材料相配合。所以普遍的做法是在富勒烯衍生物上懸掛官能團(tuán)提高溶解度和LUMO,以達(dá)到開路電壓最大化的目的。這里中我們將提到一些富勒烯衍生物受體，以及他們的理化、光電性質(zhì)。

1.1 PCMB和PCMB-like的富勒烯衍生物

在C60的基礎(chǔ)上人們首先定向改造出PCMB，這種富勒烯衍生物被認(rèn)為在有機(jī)物中具有更好的溶解性和熱穩(wěn)定性，LUMO和HOMO的差值（差值越小則更容易發(fā)生電子躍遷從而產(chǎn)生更多激子）為2.02eV. 而PC70BM的光譜吸收范圍更廣，LUMO與HOMO差值為1.96eV. 在提升LUMO上學(xué)者們做了大量工作，不同的富勒烯衍生物作為受體與相應(yīng)給體相配合所制成器件的各項數(shù)據(jù)測試結(jié)果如表1.所示：

表1.PCBM和PCBM-like受體的光電性能

表中富勒烯衍生物受體的分子結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖1. 幾種富勒烯衍生物的分子結(jié)構(gòu)圖

a)C60改造后的 PCBM和PC70BM改進(jìn)，具有更好的熱穩(wěn)定性和LUMO.

b) bisPCBM和trisPCBM都是PCBM的原產(chǎn)物，經(jīng)過加工修飾后形成具有特定性質(zhì)的產(chǎn)物，如bisPC70BM

c) F1-F5具有更長的甲基鏈，對紫外光的吸收造成影響

d) 中間烷基鏈修飾C60可以使得光譜吸收效果降低，但是當(dāng)P3HT作為給體時，電子遷移速率將大大提高

e) F15-F17是取代苯基團(tuán)的衍生物，當(dāng)P3HT作為給體時表現(xiàn)出高的熱穩(wěn)定性

1.2 ICBA和ICBA-like的富勒烯衍生物

以電子富集的茚作為取代基，構(gòu)成富勒烯衍生物ICBA，使得LUMO 能級相比PCBM提高了0.17eV，太陽能電池的開路電壓隨之得到提高，實驗結(jié)果顯示，P3HT:ICBA的給受體組合要比P3HT:PCBM在能量轉(zhuǎn)化效率上高出5.44%，開路電壓高出0.26V.共受體組合和效率見表2：

表2.PCBM和PCBM-like受體的光電性能