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太陽能電池
太(tai)陽能電池領域富勒(le)烯堅挺輔助
能(neng)源危機加(jia)重(zhong)(zhong)，新能(neng)源家族肩負使命任重(zhong)(zhong)道遠，其(qi)中(zhong)的太陽(yang)能(neng)電池(chi)團隊戰報捷捷，有機太陽(yang)能(neng)電池(chi)(OSCs)和(he)鈣鈦(tai)礦太陽(yang)能(neng)電池(chi)(pero-SCs)被(bei)科學(xue)界認為是最具前景的光伏器(qi)件(jian)。富勒(le)烯衍生(sheng)物(wu)在兩種(zhong)器(qi)件(jian)中(zhong)的堅(jian)挺輔助功不(bu)可(ke)沒，它分別作(zuo)為OSCs中(zhong)的受體材料和(he)pero-SCs陰極緩沖層(CBL)。
首先簡單(dan)了解(jie)一下有機太陽(yang)能電池(chi)和(he)鈣鈦礦太陽(yang)能電池(chi)。
有(you)機物(wu)太陽能(neng)(neng)電池的(de)(de)(de)有(you)機光(guang)(guang)(guang)敏帶由P型有(you)機半(ban)(ban)導體(ti)(ti)(ti)構(gou)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)給(gei)體(ti)(ti)(ti)，N型半(ban)(ban)導體(ti)(ti)(ti)構(gou)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)受體(ti)(ti)(ti)組成(cheng)(cheng)。光(guang)(guang)(guang)照時，有(you)機半(ban)(ban)導體(ti)(ti)(ti)吸收(shou)具有(you)一定能(neng)(neng)量的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)子，電子發生(sheng)躍遷形成(cheng)(cheng)束縛(fu)態(tai)的(de)(de)(de)電子-空穴對，即激(ji)(ji)子。激(ji)(ji)子擴散至給(gei)受體(ti)(ti)(ti)界(jie)面，在界(jie)面勢(shi)壘作用下發生(sheng)分離(li)，形成(cheng)(cheng)自由移動的(de)(de)(de)電子空穴，傳輸至陰極和陽極被收(shou)集，在外(wai)電路接通下產生(sheng)光(guang)(guang)(guang)電流。鈣鈦(tai)礦太陽能(neng)(neng)電池與有(you)機太陽能(neng)(neng)電池類似，具有(you)三明治結構(gou)，主(zhu)要的(de)(de)(de)不同在于光(guang)(guang)(guang)敏層，它是(shi)有(you)機無機雜化構(gou)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)鈣鈦(tai)礦結構(gou)。
在(zai)過去幾年中，在(zai)提高(gao)兩(liang)種(zhong)電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)能量轉化(hua)(hua)效率上(shang)取(qu)得的(de)(de)巨大(da)進展，主要是通過優化(hua)(hua)光敏化(hua)(hua)層(ceng)和電(dian)極緩沖層(ceng)的(de)(de)材(cai)料取(qu)得的(de)(de)。就有(you)機太陽能電(dian)池(chi)(chi)來說，設計和合成一(yi)種(zhong)新的(de)(de)共軛(e)層(ceng)給體材(cai)料，使其(qi)具有(you)寬的(de)(de)吸收(shou)譜，低(di)帶隙，低(di)的(de)(de)最高(gao)占據分(fen)子軌道能級(ji)（LUMO）和高(gao)的(de)(de)空穴遷(qian)移率，將會進一(yi)步提高(gao)效率。
1.富勒(le)烯衍(yan)生(sheng)物受體
C60具有(you)(you)很(hen)高(gao)的(de)(de)(de)電導性，由(you)于(yu)在有(you)(you)機(ji)溶(rong)(rong)(rong)劑中(zhong)溶(rong)(rong)(rong)解度的(de)(de)(de)低，阻(zu)礙了它在有(you)(you)機(ji)太陽能(neng)電池(chi)中(zhong)的(de)(de)(de)應(ying)用。理想的(de)(de)(de)受(shou)體材(cai)料應(ying)在有(you)(you)機(ji)物中(zhong)具有(you)(you)較好溶(rong)(rong)(rong)解性，而(er)且有(you)(you)合(he)適的(de)(de)(de)能(neng)級，與給體材(cai)料相配合(he)。所以普(pu)遍的(de)(de)(de)做法是在富勒烯衍(yan)生(sheng)物上懸掛官能(neng)團提高(gao)溶(rong)(rong)(rong)解度和LUMO,以達到開路(lu)電壓最大化(hua)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。這里中(zhong)我們將提到一些(xie)富勒烯衍(yan)生(sheng)物受(shou)體，以及他們的(de)(de)(de)理化(hua)、光(guang)電性質。
1.1 PCMB和PCMB-like的富(fu)勒烯衍生(sheng)物
在C60的(de)基礎上(shang)人(ren)們首(shou)先(xian)定(ding)(ding)向改造出(chu)PCMB，這種富勒(le)烯(xi)衍生(sheng)物被認為在有機(ji)物中具有更好的(de)溶解性(xing)和(he)熱穩定(ding)(ding)性(xing)，LUMO和(he)HOMO的(de)差(cha)值（差(cha)值越小則更容易發生(sheng)電子躍遷從而產(chan)生(sheng)更多激(ji)子）為2.02eV. 而PC70BM的(de)光譜(pu)吸收范(fan)圍更廣，LUMO與HOMO差(cha)值為1.96eV. 在提升LUMO上(shang)學(xue)者們做了大量工作，不同的(de)富勒(le)烯(xi)衍生(sheng)物作為受體與相應給體相配合所制成器件的(de)各項數據(ju)測試結(jie)果如表1.所示：
表1.PCBM和PCBM-like受(shou)體(ti)的光電性能(neng)
表(biao)中富勒烯衍生(sheng)物受(shou)體的分子(zi)結(jie)構如(ru)下圖所示：
圖1. 幾種(zhong)富(fu)勒烯衍生物的(de)分子結(jie)構圖
a)C60改造后的 PCBM和PC70BM改進(jin)，具有更好的熱穩定(ding)性和LUMO.
b) bisPCBM和trisPCBM都(dou)是(shi)PCBM的(de)原產(chan)物(wu)(wu)，經(jing)過加工修飾后形成具有(you)特定性質的(de)產(chan)物(wu)(wu)，如bisPC70BM
c) F1-F5具有更長的(de)(de)甲基鏈，對紫外(wai)光的(de)(de)吸(xi)收造成影響
d) 中(zhong)間烷基鏈修(xiu)飾C60可以使得光譜吸收效果降低，但是(shi)當P3HT作(zuo)為給體時，電子遷移速率將(jiang)大大提高
e) F15-F17是取代苯基團的(de)衍生物，當P3HT作為給體時表現出高的熱穩定性
1.2 ICBA和(he)ICBA-like的富勒烯衍生物
以(yi)電(dian)子富(fu)集的茚作為取代基，構成富(fu)勒烯衍生物ICBA，使得LUMO 能級(ji)相比PCBM提高了(le)0.17eV，太(tai)陽能電(dian)池(chi)的開路電(dian)壓(ya)隨之(zhi)得到(dao)提高，實驗結果顯(xian)示，P3HT:ICBA的給受體(ti)組合要比P3HT:PCBM在能量轉化效率(lv)上高出5.44%，開路電(dian)壓高出0.26V.共受體組合(he)和(he)效率見(jian)表2：
表2.PCBM和PCBM-like受體的(de)光(guang)電性能(neng)
