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有机/高分子太阳能电池是未来绿色能源的重要发展方向，富勒烯类电子受体材料广泛应用于有机/聚合物太阳能电池（以及钙钛矿太阳能电池）中。最近一项研究显示：光伏性能会受到富勒烯衍生物分子立体异构的影响，说明在设计新型富勒烯衍生物作为电子受体材料时还需考虑分子的立体异构因素。
研究相关的论文题为：“Stereomeric effects of bisPC71BM on polymer solar cell performance”和“Theoretical insight into the stereometric effect of bisPC71BM on polymer cell performance”，以封面文章发表于Science Bulletin 2016年第2期，由厦门大学谢素原教授和赵仪教授分别担任通讯作者撰写。研究者合成并分离了苯基丁酸甲酯的二加成C70衍生物（bisPC71BM）的两个立体异构体，发现尽管它们的光学性质和电子性质非常相近，但光伏性质却存在差别，说明立体异构现象将影响到太阳能电池的性能，进一步的晶体结构分析和理论研究表明，分子堆积的不同是造成光伏性能差异的主要原因。
目前应用最广泛的富勒烯电子受体材料依然是20年前发展起来的苯基丁酸甲酯加成的富勒烯衍生物PC61BM或PC71BM，这类富勒烯的电子迁移率、光吸收、溶解度、电子亲和势、以及与给体材料的相容性等综合表现是迄今合成的富勒烯电子受体中最好的。在过去的20年，人们一直想研发出电子迁移率更高、吸收光谱更宽、溶解度更大、电子亲和势更高、组装性能更好的电子受体材料，但困难比想象的大得多，首先要选择合适的富勒烯碳笼，其次要考虑功能基团的种类、单个富勒烯上连接的基团数量及加成位置等。虽然，在过去的20年人们从未停止通过这些指导方针研发新型富勒烯电子受体的步伐，所合成的富勒烯电子受体材料也有数百种之多，但筛选出来的富勒烯衍生物的综合性能仍然不尽人意。
原则上说，在设计新型富勒烯电子受体时，依次考虑到富勒烯碳笼和功能基团的种类、数量、加成位置后，所得到的特定富勒烯衍生物就应该具有确定的光伏性能了，经过20余年的努力，人们也应该能够找到比PCBM更合适的富勒烯电子受体，但现实的情况并非如此，是否还有其它原因研究者没有考虑到，从而导致光伏性能不佳？
应该注意到的是，依照富勒烯碳笼和功能基团的种类、数量、加成位置这些指导方针所合成的富勒烯衍生物还存在立体异构体现象，这些富勒烯立体异构体是否也有可能导致光伏性能差异呢？带着这一疑问，该研究设计了以双加成的PC71BM的两个立体异构体（trans-bisPC71BM和cis-bisPC71BM）为电子受体的聚合物太阳能电池，证实了这两个异构体虽然具有非常类似的LUMO水平、光谱吸收等，但所制备的太阳能电池性能表现存在一定差异（能量转换效率有7%的相对差别）。深入研究表明，分子堆积的不同是导致它们光伏性能差异的主要原因，理论研究也确证不同的堆积方式导致了不同的电子迁移率和激子分离能力。因此，从实验和理论两个角度都证明了富勒烯的立体异构也会导致光伏性能的差异，从而为设计高效富勒烯电子受体材料提供了此前尚未被人们重视的立体异构体这一条新原则。
这一实验的难度主要体现在双加成PC71BM的立体异构体的合成与分离上，它们是从双加成PC71BM（bisPC71BM）的28种同分异构体中通过多轮循环高效液相色谱分离出来的，并通过单晶X射线衍射分析确定了它们的晶体结构和分子堆积情况。太阳能电池是通过双加成PC71BM异构体与聚（3-己基噻吩）(P3HT)共混制成的（是本体异质结太阳能电池），最后通过测试电池的光伏性能来研究立体异构体对光伏性能的影响。理论研究是通过电子结构计算和速率理论相结合的方法进行的，重点体现在不用任何人为的结构参数来预测实验的可观测量，通过与实验结果对比，理论揭示了不同立体异构体导致的不同光物理过程，并提出了进一步改进太阳能效率的可能途径。
该研究表明，合成高效富勒烯电子受体材料的指导方针还需要考虑增加立体异构体这一条原则，才能使所合成的富勒烯的光伏性能的影响因素得以全面考虑。这为有朝一日研发出具有高的电子迁移率、强的光吸收、大的溶解度、高的电子亲和势、好的组装性质等综合性能优异的富勒烯电子受体材料补充了新思路。
研究得到了国家973计划项目（2014CB845601）和国家自然科学基金项目（U1205111, 21390390, 51572231, 51502252）资助。
研究详情请读原文：
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