富勒烯衍生物h优异的电(sh)子受体性质、良好的环境E_性以?qing)可低温溶液加工{特性，其中明星富勒烯分子[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)已经被广泛用作钙钛矿太阳能电(sh)池中的电(sh)子传输材料。但是，PCBM需要多步化学合成，反应条g剧烈Q存在成本高、率低{问题。Prato反应可一步实现富勒烯的功能化修饰Q原料易商业获得Q且反应单、条件温和，其物富勒烯吡咯烯生物曾作为电(sh)子受体被q泛应用于有机太阌甉|中。然而在钙钛矿太阌甉|领域Q高效的富勒烯吡咯烷?sh)子传输材料却鲜有报道，q是׃富勒烯衍生物的化学结构与器g的光伏性能之间的构效关pd不明?
鉴于此，北京大学深圳研究生院杨世和教授团队联合广西师范大学李姝慧副教授团队在?strong>Advanced Functional Materials》期刊上发表?jin)题为?strong>Multifunctional Molecular Design of a New Fulleropyrrolidine Electron Transport Material Family Engenders High Performance of Perovskite Solar Cells”的文章(DOI: 10.1002/adfm.202107695)。作者对富勒烯衍生物分子q行合理设计Q遵循增加溶解度和分子间怺作用的策略，Z“刚柔ƈ”的理念提出新的分子模型Q合成出一pd新型富勒烯吡咯烷衍生物，最l获得了(jin)过20%的光?sh){化效率，q是目前光电(sh)转化效率最高的富勒烯吡咯烷?sh)子传输材料。同Ӟq一pd富勒烯吡咯烷衍生物的最高率超q?0%Q远高于明星分子PCBM的率，有利于大规模合成生。文章中作者结合单晶分析、理和器g表征Q围l着笼上加成基团的寸效应和推拉电(sh)子效应，深入探究?jin)富勒烯的分子结构特性与器g的光伏参C间的构效关系Qؓ(f)设计性能优异的富勒烯?sh)子传输材料提供了(jin)新思\?
1?nbsp;富勒烯分子的设计、合成及(qing)单晶研究
作者基于钙钛矿太阳能电(sh)池的制备工艺与结构特点，提出一U新的富勒烯分子设计模型Q分为碳W??sh)子受体核?j))、增溶基?增加溶解?和πp基团(增加分子间作用力)三个部分。通过选取不同的增溶基?甲基、氰乙基)和πp基团(d、二d、三d、苯)q行Ҏ(gu)Q合成了(jin)一pd富勒烯吡咯烷衍生?F1-F7)。通过单晶衍射分析Q发CU较?yu)的甲基对于盔R分子间的作用几乎没有贡献Q而氰乙基对于盔R笼的取向v到调控作用，πp基团的引入则为相?c)W增加了(jin)π-π作用位点。分子间强的怺作用可促(j)使富勒烯笼规则堆积Q有利于?sh)子在碳W间的跃q传输?
? (a)富勒烯分子设计模型示意图Q?b)富勒烯分子的化学l构Q?c-f)单晶中相d子间的相互作用示意图?
2?nbsp;富勒烯分子的理论模拟
借助理论计算Q作者发?个富勒烯分子的LUMO轨道?sh)子云均完全分布在碳WgQ证明了(jin)7个分子的?sh)子受体性质。当πp基团ZU相对较?yu)的d和苯Ӟ HOMO轨道?sh)子云仍完全分布在碳Wg。有的是，当进一步增大πp基团的体U?nbsp;(二噻吩、三d) Ӟ HOMO轨道?sh)子云分布逐渐qW向πp基团转移Q直臛_全{U至πp基团上。这是由于富?sh)子dh?sh)子l体(D)性质Q缺?sh)子笼h?sh)子受?A)性质Q它们之间可能存在D-A的静(rn)?sh)作用。进一步通过分子表面?rn)?sh)势的模拟Q验证了(jin)d相比苯环h更负的电(sh)势能。D-A作用力得分子具有更强的偶极作用Q同h利于?sh)子在碳W间发生跃迁?
? (a)分子的LUMO轨道?sh)子云分布图Q?b)分子的HOMO轨道?sh)子云分布图Q?c)分子的表面静(rn)?sh)势模拟图?
3?nbsp;富勒烯分子的?sh)子性质研究
作者进一步对不同富勒烯分子在液相和固怸的电(sh)子性质q行表征。对不同富勒烯分子进行了(jin)液相中@环伏安测试，得到富勒烯分子的LUMO能Q证实与钙钛矿的能完全匚w。分别对不同富勒烯薄膜的?sh)子q移率和荧光光谱q行Ҏ(gu)研究Q发现目标分子F4是这一pd富勒烯吡咯烷衍生物中潜在的最优电(sh)子传输材料?
? (a)分子的@环伏安曲U图Q?b)分子的电(sh)子迁UȝQ富勒烯基器件的(c)Ex荧光光谱和(d)瞬态荧光光谱图?br />
4?nbsp;Z富勒烯分子的器g性能研究
作者将q一pd富勒烯吡咯烷衍生物应用于钙钛矿太阌甉|中，l果表明目标分子F4h最高超q?0%的光?sh){化效率，q且器gh可忽略的q滞现象。该l果与富勒烯分子的单晶研I、理论模拟、液?固相中电(sh)子性质的分析预结果相dQ证实了(jin)引入C基和d基团在分子设计上的优异性与可靠性。同Ӟ最优器件表现出大于19%的稳态输出效率和过1000时的稳定性，证明该目标分子确是一U高效、稳定的富勒烯吡咯烷?sh)子传输材料?
? (a)钙钛矿太阌甉|的结构示意图Q?b)器g的扫描电(sh)镜截面图Q?c)最优器件的J-V正反扫曲U；(d)最优器件的外量子效率曲U；(e)最优器件在最大功率点下的Ex输出曲U；(f)最优器件的E_性测试?br />
5?nbsp;富勒烯分子结构与器g光伏参数之间构效关系的探I?/strong>
作者深入对比了(jin)7个富勒烯分子的各Ҏ(gu)质Q结合物理公式，ȝ?个富勒烯分子的化学结构与器g的光伏参?其是填充因?之间的构效关p，有助于加深对富勒烯分子设计的理解?
?富勒烯分子的加成模式和侧铑֟团种cd大程度决定了(jin)富勒烯衍生物的溶解度Q良好的溶解度有利于制备理想的电(sh)子传输层薄膜Q从而优化器件内部的界面接触Q提升器件的填充因子?
?引入不同?sh)子性质的侧铑֟团，能够调节分子间的怺作用(例如π-π、D-A)Q从而优化富勒烯分子的电(sh)子性质。良好的?sh)子传输性能有利于降低器件内部的串联?sh)阻Q从而提升器件的填充因子?
?寸太大的侧铑֟团会(x)疏远盔R的碳W|从而增加电(sh)子跃q需要克服的能垒。尺寔R宜的侧铑֟团可在不破坏笼紧密堆积的基上，发挥功能化作用增强富勒烯的电(sh)子传输性质Q增加器件内部的q联?sh)阻Q有助于提升器g的填充因子?
?l合器g的理惛_子测试，富勒烯分子的?sh)子传输性质可以通过器g内部的电(sh)子提取损失和?sh)子传输损失来量化，更小的损失有利于器g获得更高的填充因子?
? 富勒烯衍生物的化学结构与器g的光伏参C间的构效关系C意?
该工作不仅提供了(jin)一U高效的富勒烯吡咯烷衍生物模型，而且帮助理清?jin)不同富勒烯分子的结构特性与器g的光伏参C间的构效关系Qؓ(f)未来设计新型高效富勒烯电(sh)子传输材料提供了(jin)行之有效的策略。北大深研院杨世和教授团队的博士后邢舟ؓ(f)本文W一作者，合作方广西师范大学李姝慧副教授与杨世和教授ؓ(f)本文的共同通讯作者，对该工作做出?jin)A(ch)献的q包括合作方厦门大学和香港城?jng)大学。本N得到?jin)国家自然科学基金、广东省基础与应用研I基金、深港合作研I目、深圛_(jng)孔雀团队目、南山领航计划、中国博士后U学基金和广西省自然U学基金{项目的支持?
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107695
