有機太陽能電池（OSC）以其低成本，重量輕，原料豐富，溶液可加工性和大面積製造等優點迅速進入人們的視野，進而受到越來越多的關注。聚合物OSC材料吸收光強能力強，吸收深度只有幾百奈米，且材料可以在柔性基底上進行溶液處理，從而可以實現快速和廉價的製造工藝。目前，大量的研究致力於聚合物OSC器件和材料的設計和改進，這也使得相關OSC的效率得以迅速提高，目前已經超過了18%。事實上，聚合物OSC主要是利用共軛聚合物給體和富勒烯或非富勒烯受體作為光活性層直接將太陽能轉變為電能的器件。這其中，富勒烯是相對較早被開發和完善的一類受體材料。
圖1：聚合物OSC的工作原理
1992年，Sariciftci等人首次發現，將共軛聚合物與富勒烯C60混合後，用光激發能夠產生高效、迅速的電子轉移現象[1]。研究人員以PPV的衍生物（MEH-PPV）作為給體，富勒烯C60作為受體，這是第一次將C60作為受體材料應用到雙層結構的太陽能電池中。C60具有極高的電子親和勢和電子遷移率，使得聚合物材料吸光後產生的電子可以極快地轉移到C60上。這一激子解離過程發生在聚合物和C60介面處，解離後的電荷不易在介面處再發生複合，解離效率接近100%。然而實驗中所得器件的光電轉換效率較低，主要是由於C60的在成膜時容易結晶而且在有機溶劑中溶解度有限，嚴重影響薄膜質量。但是也是至此以後，富勒烯這種典型的電子受體材料，受到了科研工作者們的廣泛關注，在接下來的短短几年中便得到迅速的發展。而後，大量富勒烯衍生物相被設計合成出來，並且展現了良好的電子受體性質，其中最典型的和最常用的當屬PC61BM和PC71BM等。
圖2：PC61BM，PC71BM結構示意圖
1995年，René A. J. Janssen等人報道了C60的苯基丁酸甲酯衍生物PC61BM。這種獨特的碳籠修飾，極大地提高了富勒烯在有機溶劑中的溶解度[2]。PC61BM的電子遷移率較高，達到了1.4×10−3 cm2 V−1 s−1 ，同時它還具有優良的熱穩定性。與P3HT混合後製備的OSC器件，工藝經最佳化後光電轉換效率可達4-5%，這在當時已經是很大的突破。2003年，該研究團隊又合成出了C70的苯基丁酸甲酯衍生物PC71BM[3]。除了在可見光區有較強的吸收，PC71BM還具有和PC61BM近似的LUMO能級，更高的電子遷移率（6.6×10−2 cm2 V−1 s−1），在有機溶劑中溶解性和成膜性更為優越。研究人員隨即將PC71BM與MDMO-PPV混合製備出本體異質結OSC，結果顯示，該器件比基於MDMO-PPV:PC61BM的器件相比，開路電壓和填充因子沒有明顯的變化，但是短路電流提高了近50%，因此光電轉換效率達到了3%。也正因此，PC71BM後來居上，隨即開發基於PC71BM的OSC的光伏效能往往略優於基於PC61BM的OSC。
圖3：基於PM6:PM7:Y6:PC71BM的四元混合OSC
事實上，雖然現在已經開發出各種效能優異的非富勒烯的小分子受體，如Y6等，但是對於PC61BM和PC71BM來說，還是有很多用武之地，比如在製備多元OSC器件中經常被用來作為新增成分，以此來獲得更高效能。2021年伊始，上海交通大學劉烽等人就最新制備出了基於PM6:PM7:Y6:PC71BM的四元混合OSC，其效率突破了18%，並且該器件具有出色的穩定性，在1000 小時光照後，效率仍能保持初始值的81%[4]。在這個體系中，PC71BM與基礎PM6:Y6共混物相容性良好，同作為一種受體，其LUMO能級略高於Y6，以此可以提供級聯能級排列以改善電子傳輸並提高效率。這種四元混合策略多種組成成分可以微調變化，從而最佳化器件特性，最終提高光電轉換效率。該工作最終發表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。
鑑於以上的各種研究成果和極具價值的應用前景，PC61BM和PC71BM應該得到可與它們的母體分子C60和C70相比擬的深入研究，從而進一步挖掘出未知的作用和價值。
參考文獻：
[1] Science, 1992, 258, 1474-1476.
[2] J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 1, 544–545.
[3] Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 3371-3375.
[4] Nat. Commun. 2021, 12, 309.
文獻地址：
[1] https://doi.org/10.1126/science.258.5087.1474
[2] https://doi.org/10.1021/ja00106a068
[3] https://doi.org/10.1002/anie.200351647
[4] https://doi.org/10.1038/s41467-020-20580-8
PCBM系列材料
品名：PC61BM
CAS：160848-21-5
品名：PC71BM
CAS：609771-63-3
品名：C60
CAS：99685-96-8
品名：C70
CAS：115383-22-7