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太陽能電池
太陽(yang)能(neng)電池領(ling)域富(fu)勒(le)烯堅挺輔助
能源危機加重(zhong)，新能源家族肩(jian)負使命(ming)任重(zhong)道遠，其中的太(tai)陽(yang)能電(dian)池團隊戰報捷捷，有機太(tai)陽(yang)能電(dian)池(OSCs)和(he)鈣鈦礦太(tai)陽(yang)能電(dian)池(pero-SCs)被(bei)科學(xue)界(jie)認(ren)為是最具前景的光伏(fu)器(qi)件。富勒烯衍生(sheng)物在兩種器(qi)件中的堅挺輔助功不可沒，它分別作(zuo)為OSCs中的受體(ti)材料和(he)pero-SCs陰極(ji)緩沖(chong)層(CBL)。
首先簡單(dan)了解(jie)一下有機(ji)太陽能電(dian)池(chi)和鈣鈦(tai)礦太陽能電(dian)池(chi)。
有(you)(you)(you)機(ji)(ji)物太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)的有(you)(you)(you)機(ji)(ji)光敏(min)帶由P型有(you)(you)(you)機(ji)(ji)半(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)構(gou)成(cheng)(cheng)(cheng)的給體(ti)(ti)(ti)，N型半(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)構(gou)成(cheng)(cheng)(cheng)的受體(ti)(ti)(ti)組(zu)成(cheng)(cheng)(cheng)。光照時，有(you)(you)(you)機(ji)(ji)半(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)吸收具有(you)(you)(you)一(yi)定能(neng)量的光子(zi)，電(dian)子(zi)發生躍(yue)遷(qian)形成(cheng)(cheng)(cheng)束縛態的電(dian)子(zi)-空穴對(dui)，即(ji)激子(zi)。激子(zi)擴散至給受體(ti)(ti)(ti)界(jie)(jie)面，在界(jie)(jie)面勢(shi)壘作用下(xia)(xia)發生分離，形成(cheng)(cheng)(cheng)自(zi)由移動的電(dian)子(zi)空穴，傳輸(shu)至陰極和陽(yang)極被(bei)收集，在外電(dian)路接通下(xia)(xia)產生光電(dian)流。鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)與有(you)(you)(you)機(ji)(ji)太陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)類似，具有(you)(you)(you)三明(ming)治(zhi)結構(gou)，主要的不(bu)同在于(yu)光敏(min)層，它是有(you)(you)(you)機(ji)(ji)無機(ji)(ji)雜化構(gou)成(cheng)(cheng)(cheng)的鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)結構(gou)。
在(zai)過(guo)去幾(ji)年中，在(zai)提高兩種電池的(de)(de)能(neng)量(liang)轉化(hua)(hua)效率上取得的(de)(de)巨大進展(zhan)，主要是(shi)通過(guo)優(you)化(hua)(hua)光(guang)敏化(hua)(hua)層(ceng)和(he)電極(ji)緩(huan)沖層(ceng)的(de)(de)材(cai)料取得的(de)(de)。就有(you)(you)機太(tai)陽能(neng)電池來說，設計(ji)和(he)合(he)成一種新的(de)(de)共(gong)軛層(ceng)給體材(cai)料，使其具有(you)(you)寬(kuan)的(de)(de)吸收譜(pu)，低帶(dai)隙，低的(de)(de)最高占(zhan)據分(fen)子軌道能(neng)級（LUMO）和(he)高的(de)(de)空穴遷移率，將(jiang)會進一步(bu)提高效率。
1.富(fu)勒烯衍(yan)生物(wu)受體
C60具有(you)(you)很高(gao)的(de)(de)(de)電導性(xing)，由于在(zai)有(you)(you)機溶(rong)劑中(zhong)(zhong)溶(rong)解度(du)的(de)(de)(de)低，阻礙了它(ta)在(zai)有(you)(you)機太陽能(neng)電池中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)應用。理想的(de)(de)(de)受(shou)體材料應在(zai)有(you)(you)機物中(zhong)(zhong)具有(you)(you)較好溶(rong)解性(xing)，而且(qie)有(you)(you)合(he)適的(de)(de)(de)能(neng)級，與給體材料相配合(he)。所以(yi)普遍的(de)(de)(de)做法是(shi)在(zai)富勒烯衍生物上懸掛(gua)官能(neng)團提高(gao)溶(rong)解度(du)和(he)LUMO,以(yi)達到開路(lu)電壓最大化(hua)(hua)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。這里中(zhong)(zhong)我(wo)們將提到一些富勒烯衍生物受(shou)體，以(yi)及(ji)他們的(de)(de)(de)理化(hua)(hua)、光電性(xing)質(zhi)。
1.1 PCMB和(he)PCMB-like的富(fu)勒烯(xi)衍(yan)生(sheng)物(wu)
在C60的基(ji)礎上人們首先定向(xiang)改造出PCMB，這種(zhong)富(fu)勒(le)(le)烯衍(yan)生物(wu)被(bei)認為(wei)在有機物(wu)中具有更(geng)(geng)好(hao)的溶解性和熱(re)穩定性，LUMO和HOMO的差值(zhi)（差值(zhi)越小則更(geng)(geng)容易(yi)發(fa)生電(dian)子(zi)躍遷從而(er)產生更(geng)(geng)多激子(zi)）為(wei)2.02eV. 而(er)PC70BM的光譜吸收(shou)范圍更(geng)(geng)廣(guang)，LUMO與(yu)HOMO差值(zhi)為(wei)1.96eV. 在提升LUMO上學者們做了大(da)量工作(zuo)，不同的富(fu)勒(le)(le)烯衍(yan)生物(wu)作(zuo)為(wei)受體與(yu)相(xiang)應給體相(xiang)配合所(suo)制成器(qi)件的各(ge)項數據測試結(jie)果如表1.所(suo)示：
表(biao)1.PCBM和PCBM-like受體的光電性能(neng)
表中富勒(le)烯衍生(sheng)物(wu)受體(ti)的分子結構如下圖所示：
圖1. 幾種富勒烯衍生物的分子(zi)結構圖
a)C60改造后的(de) PCBM和PC70BM改進，具有(you)更好的熱穩定性和(he)LUMO.
b) bisPCBM和(he)trisPCBM都是(shi)PCBM的(de)原產物，經過加工修飾后形成(cheng)具有特定性質的(de)產物，如bisPC70BM
c) F1-F5具有更(geng)長(chang)的甲基鏈，對紫外光的吸(xi)收造成影響
d) 中間烷基鏈修飾(shi)C60可以使得光(guang)譜吸收效果降低，但是當P3HT作為(wei)給體時，電子遷移速率將大(da)大(da)提高
e) F15-F17是(shi)取代苯基團(tuan)的(de)衍生物，當P3HT作為(wei)給體時表現出高的熱穩定性
1.2 ICBA和ICBA-like的富勒烯衍生物
以電子(zi)富集(ji)的茚作為(wei)取代基，構成(cheng)富勒烯衍(yan)生物(wu)ICBA，使得(de)LUMO 能(neng)級相比PCBM提高了0.17eV，太陽(yang)能電池的(de)開路電壓隨之得到提(ti)高，實驗(yan)結(jie)果顯(xian)示，P3HT:ICBA的給受體組合要比P3HT:PCBM在能量(liang)轉化效率上高出5.44%，開路電(dian)壓高出0.26V.共受體組合(he)和(he)效率見表(biao)2：
表2.PCBM和(he)PCBM-like受體的光電性能
