基于新型金属富勒烯衍生物的给受体系光伏器件研究

富勒烯是最好的电子受体材料之一，因而被广泛地用于光电器件。目前绝大多数有机和高分子太阳能电池都以基于富勒烯衍生物的[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）与3-己基聚噻吩（P3HT）为关键材料，其最高光电转换效率达6%。内嵌金属富勒烯兼具富勒烯和金属(尤其是富4f电子的稀土金属）的共同特性，其还原电势明显高于空心富勒烯，理论上可以弥补富勒烯衍生物做为电子受体时与给体之间分子轨道能量不匹配的问题，从而进一步提高有机光伏器件的光电转换效率。本研究拟合成并表征五种新的金属富勒烯（La@C82、Ga@C82、Dy@C82以及Sc3N@C80、Y3N@C80）PCBM受体材料，研究它们与P3HT等给体材料的复合特性，并制备有机光伏器件。通过详细的对比研究深入探讨此类光伏器件中影响光电转换效率的可能因素，提高有机太阳能电池的光电转换效率。

本项目的研究内容是设计合成并表征一系列内嵌金属富勒烯衍生物M@C82-PCBM(M=La, Gd, Dy)和M3N@C80-PCBM(M=Sc, Y)，利用其与聚（3-己基）噻吩（P3HT）制备本体异质结有机光伏器件，深入研究体系内p-n结之间的电荷分离和转移过程，比较这一系列光伏器件之间的能量转换效率差异。在项目执行期间，我们同时开展了金属富勒烯与富勒烯衍生物两方面研究工作：1）制备新结构的内嵌金属富勒烯并对其光电性质进行深入的研究表征，同时采用密度泛函等方法对金属富勒烯的结构及能级进行理论模拟研究。首次分离并得到了第二个碳氮化金属团簇内嵌的新型金属富勒烯分子Sc3NC@C78；通过笼外化学修饰方法实现了对氮杂富勒烯Y2@C79N及金属富勒烯Sc3C2@C80的顺磁性质调控；研究了金属内嵌富勒烯Y3N@C78-C2分子中内嵌团簇对富勒烯碳笼的影响；采用密度泛函理论对Lu3C2@C88 (D2: 35) 和Lu3N@C88 (D2: 35)两种金属富勒烯结构和性质进行了详细的比较研究。2）合成了一种新型富勒烯双加成衍生物受体分子NC60BA，它具有比PCBM高0.16 eV的LUMO能级，该材料与P3HT共混构筑的聚合物太阳能电池器件具有较高的开路电压Voc（0.82 V）和光电转换效率PCE（5.37 %），而相同条件下P3HT:PCBM构筑的太阳能电池器件开路电压和效率分别只有0.59 V和 4.21%。且NC60BA构筑的太阳能电池器件具有较高的热稳定性， 150度下加热20小时后器件效率仍然保持在4.5%以上；以此为基础又合成了 [70]富勒烯衍生物NC70BA。NC70BA相比于NC60BA具有更好的光谱吸收性能，其与P3HT共混构筑的聚合物太阳能电池器件光电转换效率PCE达到5.95 %；通过改变Cn-NC60BA（n=1~6）侧链上烷氧链的长度来探究烷氧链长度对富勒烯衍生物物理性质和光伏性能的影响，结果发现C3-NCBA太阳能电池效率最高。