以C60為代表的富勒烯家族的發現是世界科學史上的一個里程碑。十餘年來, 幾乎全世界所有著名大學和研究所的科學家都進行了與富勒烯有關的研究。這些研究幾乎涉及物理學、化學以及材料科學的各個領域, 同時對生物學、醫學、天文學以及地質學等也產生了巨大衝擊, 使富勒烯家族成為當前科學界研究的熱點。C60、C70的化學修飾一直是富勒烯研究的主要領域之一。目前, 富勒烯的化學修飾主要集中在設計、合成功能性化合物, 反應方法和機理的研究, 以及富勒烯的二次衍生化上。
PCBM 是 富 勒 烯 的 衍 生 物,常 見 的 有 [60]PCBM 和 [70]PCBM, [60]PCBM 全稱 [6,6]-苯基-C61-丁酸異甲酯, [70]PCBM 全稱 [6,6]-苯基-C71-丁酸異甲酯,其繼承了富勒烯的共軛籠狀碳分子結構使得其具有極好的電子容納能力,具有很高的電子遷移性。富勒烯引入了苯環、碳鏈和酯基團使得其具有較好的溶解性。在研究中發現其與常見的聚合物電子給體材料如高規整聚3-己基噻吩 (rr-p3HT)能形成良好的相分離。以上特點使其成為有機太陽能電池電子受體的標準物質,從1995年 PCBM 首先被用於聚合物太陽能電池中到現在,儘管給體材料研究熱點從聚亞乙烯 (PPV)到聚3-己 基 噻 吩 (rr-p3HT) 再 到 聚 芴 等 不 斷 進化,但受體材料一直是以 PCBM 為主[11-20]。因此PCBM 在有機太陽能電池的研究和未來套用中占據非常重要的地位。
PCBM 由富勒烯 C60或 C70和5-苯基-5-(對甲苯磺醯肼基)戊酸甲酯在鄰二氯苯中回流製取[21-24]。C60,C70的製備法有雷射法、電弧法和火焰法。雷射法為微量的製備方法,火焰法可以得到較高的富勒烯產率,但實驗條件難以控制;電弧法能夠巨觀量地製備出富勒烯,製備裝置簡單,易操作,但產率不高,僅為8.26%。這3種方法製成的富勒烯包含 C60、C70 及高碳富勒烯,因此純淨的富勒烯C60或 C70等獲取難度較大,價格高昂。PCBM 的合成產率也不高,以 [60]PCBM 為例,收率僅為約35%,以消耗C60計算為83%,分離純化到99%以上工藝複雜。這些因素造成了高純度 PCBM 獲取成本高昂。適用於聚合物太陽能電池用的高純度PCBM 價格 昂 貴,99.9% 的 [70]PCBM 市 面 售價高達120000CNY·g-1。
合成方法
PCMB4-苯甲醯基丁酸與甲醇以濃鹽酸催化酯化,然後用對甲苯磺醯肼與產物反應合成5-苯基-5-(對甲苯磺醯肼基)戊酸甲酯,在吡啶溶液中將產物與甲醇鈉回流得到5-苯基-5-(對甲苯磺醯肼基)戊酸甲酯,見反應步驟1。將得到的5-苯基-5-(對甲苯磺醯肼基)戊酸甲酯和 C60在鄰二氯苯中回流即可得[60]PCBM。
套用
目前的能源消耗主要形式是化石燃料的燃燒,新能源為輔。作為不可再生資源,化石能源的儲產比不斷下降,到2011年底,全球已探明石油儲量按目前產量 (2011年)足以維持54年,天然氣則可以 維 持 64 年,估 計 技 術 上 可 開 采 的 資 源 包 括2400億桶緻密油和200萬億立方米頁岩氣。另一方面化石燃料的燃燒排放大量二氧化碳,其造成的溫室效應引起全球對氣候變暖的擔憂。在此背景下,各國對新能源的研究和開發越來越重視。在新能源中尤以太陽能光伏技術為甚。太陽能光伏技術經過幾十年的發展,矽基太陽能電池技術已經日臻成熟,但其生產中會帶來嚴重污染及大量能源的消耗,因此太陽能光伏的研究重點轉向低成本的有機太陽能電池。有機太陽能電池核心由給體材料和受體材料組成,PCBM 是有機太陽能電池常用的受體材料。
