有機太陽能電池受體材料１．１ 富勒烯衍生物受體材料富勒烯是不同數目的非平面的五元環和六元環構成的封閉式的籠狀分子 的 統 稱。富勒烯屬于缺電子烯，三 維 共 軛 的電子結構使得其具有良好的得電子能力和光電傳輸性能，因此常用于有機太陽能電池的受體材料。１９９５年，Ｗｕｄｌ研 究 小 組 首 次 合 成 了 Ｃ６０ 富 勒 烯 衍 生 物ＰＣＢＭ［１］，并將其應用于有機太陽能電池中。此后，ＰＣＢＭ 成為最受歡迎的有機太陽能電池受體材料。Ｌｉ等［２］將其與最具代表性的給體材料 Ｐ３ＨＴ 共 混 后，得到了光電轉換效率（ＰＣＥ）為４．４ ％的光 電 器 件。由 于 ＰＣＢＭ 的優 越 性 能，人 們在 ＰＣＢＭ 的結構的基礎上作了一些改變，研制出一系列與ＰＣＢＭ 結構相似的受 體 材 料。Ｈｕｍｍｅｌｅｎ等通過改變碳籠結構，用 Ｃ７０，Ｃ８４代替 Ｃ６０制備了 ＰＣ７０ＢＭ［３］，ＰＣ８４ＢＭ［４］。研究發現，ＰＣ７０ＢＭ 在可見光區的吸收比 ＰＣＢＭ 明顯 變 強，光 電 轉 換效率也比 ＰＣＢＭ 有所增強。最近報道的高效率太陽能電池采用的受體均為 ＰＣ７０ＢＭ。Ｚｈａｎｇ等［５］改變 ＰＣＢＭ 的苯環結構，將苯環換成三苯胺或芴，合成了新的受體材料 ＴＰＡ－ＰＣＢＭ 和ＭＦ－ＰＣＢＭ。Ｚｈｅｎｇ等［６］用不同長度的烷基鏈取代 ＰＣＢＭ 的甲酯基得到了一系列受體材料，如：ＰＣＢＢ、ＰＣＢＤ 等。其中，將ＰＣＢＢ與 ＭＥＨ－ＰＰＶ 共混后得 到 的 光 電 器 件 在 ＡＭ２．５下照射的 ＰＣＥ為２．４８ ％，這比相同條件下 ＰＣＢＭ（２．０ ％）要高得多（富勒烯衍生物受體材料的結構見圖１）。

　　雖然類似 ＰＣＢＭ 的受體材料在有機太陽能電池的研究中占據重要地位，但一些非 ＰＣＢＭ 結構的富勒烯衍生物受體材料也具有優良的性能。李永舫研究小組合成了一類完全不同于 ＰＣＢＭ 結構的新型高效率富勒烯受體材料：茚的雙加成 Ｃ６０富勒烯 衍 生 物ＩＣ６０ＢＡ、ＩＣ７０ＢＡ，將其 與 Ｐ３ＨＴ 制成 器 件 后 的ＰＣＥ分別達到了６．４８ ％［７］和５．６４ ％［８］。經過一系列的工藝等的改 造，Ｄｏｕ 等［９］將 ＩＣ６０ＢＡ 制成疊層結構光 伏器件，其ＰＣＥ提高到了８．６ ％。２０１２年，Ｍｅｎｇ等［１０－１１］合成了二氫化奈類富勒 烯 ＮＣ６０ＢＡ和 ＮＣ７０ＢＡ。研究發現，ＮＣ６０ＢＡ 和 ＮＣ７０ＢＡ 的ＬＵＭＯ 能級比ＰＣＢＭ 高，分別高０．１７ｅＶ 和０．２ｅＶ，而且 ＮＣ７０ＢＡ 在可見光區域內有著更強的吸收和更寬的吸收范圍。以 之 為 受 體，與Ｐ３ＨＴ制成光伏器件的開路電壓 Ｖｏｃ可提 高 到 ０．８３Ｖ，ＰＣＥ達５．９５ ％。而同樣條件下，ＰＣＢＭ 與 Ｐ３ＨＴ制成的光伏器件的 ＰＣＥ只有３．７４ ％。為了研究取代基對二氫化萘富勒烯衍生物制成的光伏器件的 ＰＣＥ 的影 響，Ｄｅｎｇ等［１２］合成 了 一 系列二氫 化 萘 類 富 勒 烯 衍 生 物：ＭＤＮＣ，Ｂｉｓ－ＭＤＮＣ，ＢＤＮＣ，ＢｏＤＮＣ，ＨＤＮＣ 和 ＥＤＮＣ，并將它們制成有機光伏器件。結果表明：富勒烯受體的分子結構可能會影響有機太陽能電池的ＰＣＥ。雙加成物 Ｂｉｓ－ＭＤＮＣ比其他單加成物在可見光區域具有更強 的 吸 收，ＬＵＭＯ 能 級 也 較 高。因 此 用 Ｂｉｓ－ＭＤＮＣ 與Ｐ３ＨＴ制成的器件的效率也相對較高，達到了４．５８ ％［１２］。１．２ 苝二酰亞胺衍生物受體材料苝二酰亞胺及其衍生物在可見光區域有很強的吸收并具有較高的光和熱穩定性，最初被大規模地用作有機功能染料。后來，人們發現苝二酰亞胺類分子具有較大的 π－π共軛 結 構，因此其分子具有較高的電子遷移率和電子親和勢。基 于 以 上特點，苝二酰亞胺及其衍生物成為在光電材料領域研究中較為熱門的一類電子受體材料（苝二酰胺類受體材料的結構見圖２）。

圖２ 苝二酰亞胺類受體材料的結構

１９８６年，Ｔａｎｇ［１３］首次 報 道 了 以 Ｎ，Ｎ′－二苯 并 咪 唑－３，４，９，１０－四羧酸苝二酰亞胺（ＰＢＩ）為ｎ型半導體材料，酞菁銅為 ｐ型半導體材料制備的異質結光伏電池，其光電轉換效率達到１％。此后，苝二酰亞胺衍生物作為一種優秀的 ｎ型 半 導 體 材料受到了廣泛的關注和研究。１９９８年，Ｇｒｅｇｇ研究 組［１４－１５］通過在苝酰亞胺 Ｎ 原子位置上引入烷基鏈、烷氧基鏈等取代基，合成并研究了一系列具有液晶態的苝酰 亞胺衍生物分子。２００１年，Ｆｒｉｅｎｄ研 究 小 組［１６］將另一種苝酰亞胺衍生物 ＥＰ－ＰＴＣ與小分子給體材 料 ＨＢＣ－ＰｈＣ１２共混制備了異質結光伏器件，使該器件 的 ＰＣＥ 達到 １．９５ ％。２００６年，Ｒｏｎｃａｌｉ研究小組［１７］用苝酰亞胺 ＤＰ１３與給體材料共混后也得到了光伏性能較好的光伏器件。２０１２，Ｍｉｋｒｏｙａｎｎｉｄｉｓ等［１８］合成 了 一 種 新的苝二酰亞胺衍生物受體材料 ＰＥＲＩ，將其 與 給 體 材 料 Ｓｅ－ＳＭ共筑的器件 的 效 率 達 到 １．２８ ％。經過 退 火 優 化 后，器 件 的ＰＣＥ提高到了３．８８ ％。雖然較大的π－π共軛結構使得苝酰亞胺及其衍生物具有較高的電子遷移率和電子親和勢，但是也大大降低了它在常用溶劑中的溶解度。解決這一問題［１９］的方法主要有：（１）增加苝酰亞胺的大π鍵程度（合成如 ＰＢＩ以類的分子）；（２）增加苝酰亞胺分子上的柔性鏈長度或支化程度來提高其溶解度。作為一種重要的電子受體材料，苝酰亞胺及其衍生物同 ＰＣＢＭ相比還有不少差 距，但在高效率的有機光伏電池中扔發揮著重要的作用。