新型富勒烯衍生物应用于钙钛矿太阳能电池的电子传输材料研究

Perovskite solar cell (PSC) is a novel type of thin film solar cell, which is based on perovskite-structure semiconducting compounds such as organic-metal halide CH3NH3PbX3 (X=I, Br, Cl) acting as not only light-absorbing layer but also photoelectric conversion and photoinduced charge carrier transporting material. Fullerene derivatives such as C60-PCBM have been usually applied as electron-transporting materials in inverted-structure PSC due to their strong electron-accepting ability and high electron mobility. In this project, focusing on energy level engineering study of fullerene materials, we propose to develop a series of novel fullerene derivatives applicable as electron-transporting materials of inverted-structure PSC, which have tunable molecular energy levels. First we will design and synthesize several types of novel soluble fullerene derivatives, and then we will select those derivatives with suitable molecular energy levels and high electron mobilities, and apply them as electron-transporting materials in inverted-structure PSC devices. Finally we will determine the best fullerene derivative electron-transporting materials which have better electron-transporting property than the commonly used C60-PCBM. Our project will not only provide a practical strategy toward improving the performance and stablity of inverted-structure PSC, but also contribute to the practical applications of fullerenes.

钙钛矿太阳能电池是以基于钙钛矿结构的半导体化合物（如有机-金属卤化物CH3NH3PbX3 (X=I, Br, Cl)）作为光吸收层以及光电转换和光生载流子传输材料的新型薄膜太阳能电池，以C60-PCBM为代表的富勒烯衍生物由于具有很强的接受电子的能力以及高电子迁移率而被常用于反向结构钙钛矿太阳能电池的电子传输材料。本项目以富勒烯材料的能级工程研究为出发点，提出开发一系列具有不同分子能级、用于反向结构钙钛矿太阳能电池的新型电子传输材料的富勒烯衍生物。首先设计和合成几类新型可溶性富勒烯衍生物，然后选择具有合适的分子能级且电子迁移率较高的富勒烯衍生物，将其作为电子传输材料引入到反向结构钙钛矿太阳能电池中，筛选出比目前常用的C60-PCBM电子传输性能更好的富勒烯衍生物电子传输材料，为提高反向结构钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性提供一个切实可行的方案，并为拓展富勒烯材料的实际应用作出有意义的探索。

钙钛矿太阳能电池的光活性层与电极之间的界面对器件的性能有着重要的影响。目前平面反型钙钛矿太阳能电池最常用的电子传输材料为C60-PCBM，但其存在着合成工艺复杂、稳定性差等缺点，不利于钙钛矿太阳能电池的商业化应用。因此，开发比目前常用的C60-PCBM电子传输性能更好的新型富勒烯衍生物电子传输材料对于提高电池效率具有十分重要的意义。.本项目的研究工作主要围绕着新型富勒烯衍生物的合成及将其应用于钙钛矿太阳能电池的新型电子传输材料研究等方面展开，顺利完成了研究计划。另外，基于近几年来国内外钙钛矿太阳能电池和富勒烯领域的发展现状，在项目执行过程中我们对研究内容进行了合理的拓展，在开发新型钙钛矿太阳能电池的界面传输材料和新结构内嵌金属富勒烯等方面也开展了一些工作。.主要研究进展包括：1）合成吡啶修饰的新型富勒烯衍生物，并将其应用于平面反型钙钛矿太阳能电池的新型电子传输材料，电池器件的光电转换效率和稳定性都优于基于C60-PCBM的器件；2）通过吡啶或胺基修饰的新型富勒烯衍生物掺杂钙钛矿活性层提高平面正型钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性；3）通过修饰TiO2电子传输层提高平面正型钙钛矿太阳能电池的效率；4）通过咪唑磺酸盐两性离子或无机醋酸盐掺杂调控钙钛矿薄膜的结晶取向和速度；5）胺基修饰的新型富勒烯衍生物或非共轭聚合物作为阴极缓冲层修饰C60-PCBM电子传输层提高平面反型钙钛矿太阳能电池的电子传输性能；6）室温快速结晶的半透明CH3NH3PbI3薄膜及免退火和无电子传输层钙钛矿太阳能电池器件的构筑。.目前一共发表致谢本项目的SCI论文55篇，其中Nature Commun. 2篇，Adv. Mater. 2 篇，Angew. Chem. Int. Ed. 7篇，J. Am. Chem. Soc. 3篇。作为第一完成人获得2018年度安徽省自然科学二等奖1项（名称：太阳能光电转换界面关键材料设计、修饰及性能调控）。组织召开了2次重要的国际国内学术会议，在国内外会议上作大会特邀报告28次。此外培养博士13名。项目负责人杨上峰于2019年获得国家杰出青年科学基金资助。.在基金委的资助下，完成预期目标。