金属富勒烯衍生物作为光伏器件中电子受体材料的效能研究

富勒烯太阳能电池在近十年来得到了很大的发展，而金属富勒烯在该领域的应用还鲜有报道。本研究提出了一种由可溶性内包金属富勒烯为电子受体材料构建的有机物/富勒烯光伏电池的新思路。首先设计符合光伏转换过程中电子传输机理的各种内包金属富勒烯衍生物；制备和提纯金属富勒烯后，再用Bingle-Hirsh、Proto、Diels-Alder等化学反应方法在其笼表面接枝官能团，合成功能化的可溶性的金属富勒烯衍生物；通过分步沉积或在混合溶液中共沉积的方法制备成有机物/金属富勒烯器件。用FESEM, HRTEM, UV-Vis, Raman, XPS, SPM等手段进行微观结构的表征和性能测试；通过研究各界面处性质、器件的光谱响应曲线、吸收光谱和量子效应等，揭示不同金属富勒烯衍生物作为电子受体材料的光伏器件产生的新效应；初步探明金属富勒烯衍生物微观结构对器件光电转化效率的影响机制。

在课题“金属富勒烯衍生物作为光伏器件中电子受体材料的效能研究”资助下，我们在金属富勒烯新结构、电子性质和应用方面取得了一系列成果，为开展其它相关的课题打下良好的基础。同时开展了相关光电功能纳米材料的制备与性质研究。具体研究分为以下几个部分：.1.合成了新结构金属富勒烯：a. Sc2C2@C72，C72一直被认为是丢失的富勒烯，我们通过电弧放电法合成了Sc2C2@C72，进一步通过解析单晶证明其分子结构为Sc2C2@C72，是通过双金属碳化物内嵌在C72碳笼里的构型，C72具有Cs（10528）对称性，含有两对毗邻的五元环。值得一提的是单晶分析表明内嵌的Sc原子在笼内无序度较高，具有较低的运动势垒，这和大部分的non-IPR金属富勒烯里的金属禁阻在毗邻五元环处的运动显著不同。这也是首次报道non-IPR金属富勒烯中金属原子和相邻五元环互不制约的现象。b. Sc3CN@C80的电子结构与顺磁特性研究，通过DFT计算说明N原子位于C和三个Sc原子之间。依旧采用自旋注入的方法得到了稳定的阴离子自由基， ESR和理论计算分析了表明自由基的电子自旋主要分布于内嵌的CN单元上。2. 利用可逆化学反应分离金属氮化物内嵌富勒烯的。在间氯过氧苯甲酸存在下，Sc3N@C80吡咯环衍生物，可以高效地脱去外接基团。相同条件下，C60和C70的吡咯烷衍生物则不能脱掉外接基团。这种反应特异性为分离金属富勒烯提供了一个新的有效途径。3. 探究了不同NCBA异构体对太阳能电池性能的影响。金属富勒烯上C-C键的数目众多，必然同时会有多种异构体同时生成，课题组根据所具有的优势分离出NCBA的众多异构体。分离后的NCBA异构体与P3HT共混制备的太阳能电池器件光电转换效率最高可达6.3%，相比由NCBA异构体混合物构筑的太阳能电池性能(5.3%)有了明显提高。提纯的异构体的太阳能电池性能相比于混合物有明显的提高，可见有对成富勒烯衍生物异构体进行分离也是提高器件效能一个不可或缺的手段。.4针对如何提高ZnO材料的光催化效率，有效利用太阳能以及对一些恶劣环境中的使用，分别制备了二元，三元ZnO基复合光催化剂以及一些InGaN纳米材料，对其结构、形貌、光吸收特性和表面物理化学性质进行了详细的表征，研究了其光催化行为，探讨了光催化效率提高的原因。