富勒烯衍生物在有機太陽能電池（OSCs）中作為受體材料發揮了至關重要的作用，某些功能化的富勒烯衍生物還可以作為陰極介面修飾層材料改善光活性層和陰極之間介面層的電學特性，顯著提高正向和反向結構光伏器件的能量轉化效率（PCE）。2012年，浙江大學雷鳴課題組與澳大利亞聯邦科學和工業研究組織（CSIRO）和中科院化學所開展合作研究，設計合成的富勒烯胺（PCBAN和PCBDAN）和n-型自摻雜高電導率富勒烯季銨碘鹽（PCBDANI）可作為陰極介面修飾層材料，降低電極的金屬功函式，改善活性層與電極的接觸，顯著提高開路電壓（Voc）和短路電流強度（Jsc），提高填充因子（FF），從而提升了器件的PCE和穩定性（Adv. Energy Mater. 2013, 3, 1569-1574; ASC Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 10995-11003; J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 14720-14728)。還可以利用PCBDAN自組織聚集簡化器件加工程式，為大面積加工器件提供了高效能材料和簡便的方法（ACS Nano, 2014, 8,1601-1608）。隨著近十年來研究的不斷深入和積累，課題組構建了富勒烯光電材料庫（Figure 1）。
課題組與化學系王琦教授課題組合作開展深入研究，闡明瞭n-型交叉自摻雜高電導富勒烯銨鹽的結構-效能關係，提出了n-型交叉自摻雜理論和導電模型（Figure 2），建立了比較完整的鹵素離子-富勒烯π非共價鍵作用理論體系和研究方法學（Chem. Mater. 2016, 28, 1227-1235; Chem. Mater.2016, 28, 8726-8731）。
Figure 2. Cross self-n-doping and electron transfer model in a stable and highly conductive fullerene ammonium iodide: A promising cathode interlayer in organic solar cells (Chem. Mater. 2016, 28, 1227-1235).
有機-無機雜化的鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因具有PCE高、製備工藝簡單、成本低等優點而成為新能源領域的研究熱點。近年來，透過對材料、器件結構和加工工藝等方面的深入研究，使PSCs的PCE從2009年的3.8%快速提升至當前的25.5%，並逐步逼近理論效率。值得關注的是鈣鈦礦活性層對水、空氣、熱、光等因素的穩定性問題限制了PSCs器件的實際應用。課題組與浙江大學矽材料國家重點實驗室餘學功教授、楊德仁教授團隊開展合作研究，將PCBDAN引入PSCs器件，提高了器件的能量轉換效率，消除遲滯效應和簡化器件加工工藝，為實現大面積、低成本器件加工提供了效能優良的材料和新工藝（Figure 3），尤其是提高了PSCs器件對空氣、水和光的穩定性（J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 9278-9284; Nano Energy 2016, 28, 330-337; J. Mater. Chem. A2016, 4, 18509-18515; Adv. Sci. 2017,201700018)。
Figure 3. Self-organized fullerene interfacial layer for efficient and low-temperature processed planar perovskite solar cells with high UV-light stability(Adv. Sci. 2017,201700018).
課題組與化學系王琦教授課題組合作，在鹵素離子-富勒烯交叉自摻雜機制的基礎上，進一步研究探明瞭PSCs中鹵素離子穿透富勒烯電子傳輸層遷移的可能途徑和機制（J. Mater. Chem. A.2017, 5, 20720-20728）（Figure 4），為設計具有鈍化功能的電子傳輸材料和提高鈣鈦礦活性層穩定性提供了理論依據。
Figure 4. Halide anion–fullerene π noncovalent interactions: n-doping and halide anion migration mechanism in p-i-n perovskite solar cells (J. Mater. Chem.A. 2017, 5, 20720-20728).
如何抑制鈣鈦礦光活性層分解以及離子遷移是目前解決PSC器件穩定性問題的關鍵。基於上述研究成果，課題組設計合成了具有鈍化/傳輸雙功能的n-型介面材料——聚乙二醇醚衍生的富勒烯（PCBHGE，Figure 1），並與浙江大學矽材料國家重點實驗室餘學功教授、楊德仁教授團隊繼續合作開展PSC器件研究。研究表明，將PCBHGE新增入鈣鈦礦活性層後，PCBHGE聚醚側鏈的多個O原子與鈣鈦礦中的Pb2+透過Lewis酸鹼對作用能夠穩定[PbI6]4–八面體框架結構，鈍化介面缺陷，從而有效抑制鈣鈦礦的分解和離子遷移，提高器件的穩定性。所製備的器件最高可表現出23.19%的PCE，器件在暗處存放206天后的PCE保有率為87%，並且在工作條件下器件能夠保持良好的光穩定性。該研究工作為進一步開發多功能富勒烯光電材料和提高PSC器件穩定性奠定了基礎。該研究成果近期在美國化學會期刊ACS Energy Lett. 2021, 6, 3864-3872上發表。
Figure 5. Mitigating ion migration by polyethylene glycol modified fullerene for perovskite solar cells with enhanced stability (ACS Energy Lett. 2021, 6, 3864-3872).
本研究工作受到國家自然科學基金專案（21975219，62025403，61721005）的資助。
來源：浙江大學
論文連結
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c02030
