合成新型氰基修饰的富勒烯衍生物降低介电失配实现高效反式钙钛矿太阳能电池

富勒烯衍生物,尤其是[1,1]苯基-C_(61)-丁酸-甲酯(PC_(61)BM),通常用作反式(p-i-n)钙钛矿太阳能电池(PVKSCs)的电子传输层和添加剂,但PC_(61)BM(3.8)的介电常数(ε_(r))远小于有机无机杂化铅卤钙钛矿(CH_(3)NH_(3)PbI_(3)[MAPbI_(3)]为6.5)的介电常数,不利于激子的解离且阻碍了界面电荷的传输.本文中,我们合成了一种新的氰基功能化富勒烯,其中两个氰基通过罗丹宁连接到富勒烯上(缩写为C_(60)-Rhd-CN),并通过反溶剂法将其引入MAPbI_(3)活性层中来构建反式钙钛矿太阳能电池器件.引入强吸电子氰基后,C_(60)-Rhd-CN的ε_(r)值达到5.1,明显高于PC_(61)BM(3.8),因此可以有效降低MAPbI_(3)钙钛矿和富勒烯电子传输层之间的介电失配.此外,氰基能够与MAPbI_(3)钙钛矿中的Pb^(2+)离子进行配位实现钙钛矿的缺陷钝化.最终,C_(60)-Rhd-CN掺入钙钛矿后促进了激子解离和界面电荷传输,并抑制了非辐射复合,使反式钙钛矿太阳能电池器件的能量转换效率从参比器件的18.43%显著提高到20.81%.此外,掺入C_(60)-Rhd-CN有助于提高钙钛矿太阳能电池的环境和热稳定性.为了阐明氰基在增加ε_(r)值和提高效率方面的关键作用,我们还合成了另一种类似结构的新型罗丹宁官能化富勒烯,其中两个氰基被硫原子取代(缩写为C_(60)-Rhd-S),其获得的能量转换效率为19.45%,其性能低于含有C_(60)-Rhd-CN添加剂的钙钛矿太阳能电池的主要原因是其ε_(r)值(4.0)较低.