新型有机太阳能电池材料活性层聚合物制备方法原理与性能Word文档格式.docx

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由此，太阳能作为一种优良的可持续发展能源得到科学界的普遍关注。

有机聚合物的太阳能电池与硅基太阳能电池相比有这优势互补的作用，不需要再做成板状的结构，可以做成一系列的柔性设备，重量轻，工艺也比较简单，成本相对硅基太阳能电池也较低。

其存在的最大问题是相对硅基聚合物转化率不高，因此如何提高有机和聚合物光伏材料的转化率，合成新的有机和聚合物光伏材料，是现在我们比较关注的也急需解决的问题。

无机太阳电池的电流产生方式基本研究成熟，而有机太阳电池电流的产生方式基本借鉴了前者。

目前报道的有机/高分子光伏材料和器件中并未得到完全优化，因此有机光伏电池的能量转化率（小于7%）相比于无机光伏电池（大于10%）要低得多，这一点并不奇怪。

2.有机太阳能电池结构

第三代有机/高分子光伏电池称为“体异质结”或BHJ电池。

这些电池在制作时将施主（如施主型共轭高分子）和受主（如富勒烯）充分混合。

这种方式使施主/受主界面（及相应的电荷分离点）在体材料各处随机分布，从而使激子更能方便地到达界面，离解成载流子（尽管有一些区域的尺寸仍大于AEDL）。

目前广泛使用的OPV电池器件是体相异质结有机太阳能电池，该器件主要

PCDTBT，该材料制成的光伏器件的PCE为3.6%。

2009年，研究人员通过使用氧化钛层作为光学阻隔层，将器件效率提高到了6.1%。

Yu等设计并合成了当时最让人震惊的聚合物，即以噻吩并[3，4-b]噻吩（TT）和苯并二噻吩（BDT）交替共聚得到，这是光伏器件第一次达到7%-8%的效率。

5.活性层聚合物材料的分类及其制备

聚合物太阳能电池光伏材料包括给体材料和受体材料，当前研究得比较多的可以分为以下6类：

5.1P-型共轭聚合物给体光伏材料

P-型共轭聚合物是聚合物太阳能电池中最重要和最核心的给体光伏材料。

对这类材料的兴趣最早是20世纪70年代从导电聚合物的发现和研究开始的。

自从1990年Friend等发现PPV的电致发光现象和聚合物发光二极管以来[7-10]，对共轭聚合物的研究兴趣逐渐转移到了本征态共轭聚合物的半导体光电子性质上。

对于共轭聚合物给体光伏材料，2003年之前最具代表性的是烷氧基取代PPV，这主要是受当时电致发光聚合物的影响，因为这两种PPV衍生物是最具代表性和研究得最多的发光聚合物。

但由于这两种烷氧基取得PPV膜的吸收边不到600nm，太阳光的利用率低，报道的能量转换效率最高只有2.5%。

所以从2004年Brabec等使用P3HT为给体、使聚合物太阳能电池的能量转换效率提高到3.85％之后，P3HT成为了最具代表性的聚合物给体光伏材料。

共轭聚合物同时是目前研究较多的一类光电材料，研究较多的有聚对苯乙炔（PPV）、聚噻吩（PT）、聚对苯（PPP）、聚芴（PF）等及其衍生物。

图5-1PT、PPP、PF共轭聚合物材料

5.2可溶液加工p-型共轭有机分子给体光伏材料

共轭聚合物具有可溶液加工和成膜性好等优点，但也存在提纯困难、分子量分布宽等问题。

而具有类似半导体性能的有机分子分子量确定、易纯化，但一般情况下溶解性能差，制备光电子器件时需要真空蒸镀成膜。

近年来发展起来的可溶液加工有机分子光伏材料，结合了聚合物的可溶液加工性和小分子的高纯度的优点，引起了研究工作者的关注。

已研究的用于有机光伏电池的可溶液加工有机分子给体光伏材料主要包括星形或枝化噻吩齐聚物等。

当前，这些可溶液加工有机分子给体光伏材料、与PC70BM受体共混制备的光伏器件最高能量转换效率较高，显示了光明的前景[11]。

5.3富勒烯衍生物受体光伏材料

富勒烯衍生物受体光伏材料对聚合物太阳能电池的发展起到了关键的作用。

它的优点是具有较强的接受电子能力、较高的电子迁移率、较好的溶解度、与大部分聚合物给体材料具有较好的相容性。

但它也有可以改进的地方，比如，其可见区吸收很弱，其过低的LUMO能级使得激子电荷分离时的能量损失很大，导致开路电压较低（只有0.6V左右）。

最近，合成了几种具有较高LUMO能级的新型富勒烯衍生物，其中以茚双加成C60衍生物ICBA为受体时器件的开路电压提高到0.84V,能量转换效率达到5.44%[12]。

对富勒烯衍生物受体材料的基本要求是：

高溶解度、高电子迁移率、与给体材料匹配的LUMO能级、与给体材料共混的活性层中适当的聚集态结构、可见区具有较强的吸收等。

由于富勒烯衍生物受体材料在聚合物太阳能电池中的重要性，对PCBM的修饰和改进吸引了许多研究者的注意。

5.4N-型共轭聚合物受体光伏材料

除了上面提到的富勒烯衍生物外，其它n-型有机半导体也可以作为聚合物太阳能电池受体材料的候选。

其实，第一个双层D/A异质结有机太阳能电池（TangCell）的受体材料用的就是n-型有机半导体苝。

当然，在聚合物太阳能电池中，人们很自然想到的就是n-型共轭聚合物受体光伏材料，这种n-型聚合物受体材料与p-型聚合物给体材料共混制备的太阳能电池是真正意义上的聚合物太阳能电池，常被称作“全聚合物太阳能电池”[13]。

对n-型共轭聚合物受体光伏材料的基本要求是：

在可见-近红外区有宽而强的吸收、高度可溶、高的电子迁移率、与给体聚合物匹配的LUMO和HOMO能级。

最早用于聚合物太阳能电池的n-型共轭聚合物受体材料是氰基取代的MEH-PPV,MEH-CN-PPV,这种聚合物为受体、一种辛苯基取代聚噻吩为给体制备的聚合物太阳能电池的能量转换效率达到1.9％[18]。

总起来讲，在调制吸收和电子能级方面，n-型聚合物要比富勒烯衍生物容易得多，但其纯度、电子迁移率和在活性层中的适度聚集方面往往比PCBM等富勒烯衍生物要差一些。

在光伏性能方面，迄今为止，n-型共轭聚合物受体材料与PCBM相比还有差距。

5.5D-A双缆型共轭聚合物光伏材料

D-A双缆型聚合物主要是以聚噻吩为主链的聚合物，这类聚合物在活性层中的理想结构是支链上的受体能够相互连接聚集、形成电子通道，而主链是空穴通道。

但实际上，这类聚合物的光伏性能都不太理想，最高效率只有0.52%。

原因可能有以下几个方面：

（a）溶解度和成膜性能差。

（b）受体难以形成有效聚集和电子通道，电子传输效率低。

（c）聚合物主链的聚集也会受到影响。

其实，在本体异质结聚合物太阳能电池的活性层中，给体和受体的适度聚集对于增强光吸收、提高载流子迁移率和电荷传输效率非常重要。

如何在D-A双缆型聚合物中实现给体和受体的适度聚集将是提高这类材料光伏性能的关键[14]。

5.6N-型无机半导体纳晶受体光伏材料

2002年，Alvisatos等将CdSe纳晶用作受体，取代PCBM与P3HT给体共混制备了聚合物太阳能电池，能量转换效率达到1.7%[15]，这为无机半导体纳晶找到了一个新的应用领域，受到广泛关注。

以n-型半导体纳晶为受体的聚合物太阳能电池常被称作“共轭聚合物/无机半导体纳晶杂化太阳能电池”，人们期待着这种电池能够把聚合物的溶液加工型及轻薄特点与无机半导体纳晶的高电子迁移率和高稳定性优点相结合，获得高效、稳定的新型薄膜太阳能电池。

从当前的情况看，以n-型半导体纳晶为受体的聚合物太阳能电池的光伏性能仍比不上以PCBM为受体的光伏器件性能，可能的原因是：

（a）纳晶表面态比较复杂，表面缺陷态有可能成为电荷陷阱；

（b）共轭聚合物/无机半导体纳晶界面结构比较复杂，激子在界面上的电荷分离效率低（聚合物的荧光只能部分被萃灭）；

（c）聚合物/纳晶难以形成理想的互穿网络结构，尤其是纳晶之间难以形成有效的电子通道，纳晶本身的高电子迁移率被纳晶之间慢的电子传输所限制，导致电子的传输效率低。

因此，制备尺寸均匀、表面“干净”、能适度聚集形成网络结构的n-型半导体纳晶，以及改善和修饰共轭聚合物/无机半导体纳晶界面结构将是这类材料的发展方向。

6.展望

在过去几年中聚合物－富勒烯BHJ太阳能电池已经取得了突飞猛进的进展，单层太阳能电池的光电转换效率已超过９％这些都归因于新材料的不断开发与应用。

共轭聚合物是聚合物太阳能电池的核心材料，设计和合成窄带隙、强吸收、共平面的共轭聚合物材料已成为国际上太阳能电池领域最受关注的研究课题之一，当前阻碍结异质结电池的发展最重要的问题之一是缺少高性能低带隙的优良聚合物材料。

提高有机太阳能电池的光电转换效率是目前乃至未来的研究重点。

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