新型富勒烯功能材料的设计及在异质结钙钛矿太阳能电池中的应用

The performance of perovskite solar cells has, to date, suffered from a few unfavorable issues: severe I-V hysteresis, low stability and unbalanced carrier transportation. Recently, it has been reported that these issues might be significantly reduced by the heterojunction contact engineering that involves blending perovskite materials with fullerene derivatives. Nevertheless, the ideal fullerene functional materials for such a use are still scarce. In this project, we start from reasonable molecular design with the goal of optimizing the integrated performance of fullerene derivative materials. Firstly, Lewis base and higher fullerene moieties will be introduced to enhance the passivation function of fullerene materials. Next, fluoro-substituted aromatics will be introduced to improve the hydrophobicity of fullerene materials without reducing their carrier mobilities. The optimized fullerene materials will be used for fabricating high-performance, stable and hysteresis-free fullerene:perovskite heterojunction solar cell.

钙钛矿太阳能电池目前面临的问题包括：I-V迟滞现象、低稳定性和载流子传输不均衡。基于富勒烯:钙钛矿的体相或梯度异质结结构或可消除这类问题因而倍受关注。然而综合性能优良的富勒烯材料还非常缺乏。本项目将针对已报道的富勒烯材料的不足和缺点，从两方面来探讨通过合理设计而获得综合性能优良的富勒烯材料的可行性。1. 针对典型富勒烯材料PC61BM钝化作用较弱的问题，我们拟设计制备具有路易斯碱型取代基的富勒烯衍生物，并以得电子能力更强的C70、C84取代或掺杂C60衍生物，强化富勒烯材料对于钙钛矿各类缺陷的钝化作用，从而消除其迟滞现象并提高短路电流及光电效率。2.针对典型疏水富勒烯材料DF-C60由于引入氟烷取代基而电子迁移率下降的问题，我们拟引入多氟芳烃取代基，预期既提高其疏水性且保持其较高的迁移率。另外，我们还将考虑结构调控对于能级结构的影响，优选富勒烯材料构筑高效稳定、无迟滞的异质结钙钛矿电池。

平面钙钛矿太阳能电池的核心是具有p-i-n和n-i-p的结构的异质结，其中i代表本征钙钛矿层(PVK)，p和n分别代表空穴传输层和电子传输层（HTL和ETL）。其中ETL以及PVK/ETL界面对与光生电子的传输至关重要，并显著影响倒置结构(p-i-n)器件的性能和稳定性。本项目在执行过程中，主要针对以下问题开展了一系列研究：1。针对典型富勒烯基电子传输材料PC61BM对于缺陷钝化效果较差的缺点，我们通过实施一系列界面工程有效钝化了PVK/PC61BM的界面缺陷，抑制了界面电荷复合，改善了光生电子传输，从而提高了倒置器件的性能和稳定性。2. 针对PC61BM的上述缺点，我们还采用了掺杂工艺对其改性，强化其钝化缺陷的效果，抑制了界面电荷复合，从而提高器件的性能和稳定性。3. 针对含有氟烷取代基的富勒烯衍生物电子迁移率较低的缺点，我们设计制备了一系列含有氟苯取代基的富勒烯衍生物，并以其作为电子传输层构筑倒置器件，取得了优良的器件性能和稳定性。