異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池材料的最新研究進(jìn)展

1、第卷第期年月南京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)）（），基金項(xiàng)目：江蘇省特聘教授科研經(jīng)費(fèi)（），江蘇省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目（），教育部留學(xué)回國啟動基金（）收稿日期：通訊聯(lián)系人，：異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池材料的最新研究進(jìn)展張超智，李世娟，胡鵬，沈丹，張驍，孫曉飛（南京信息工程大學(xué)環(huán)境與科學(xué)工程學(xué)院，南京，）摘要：作為一種低耗、高效的有機(jī)光伏器件，異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池具有成本低、重量輕、柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)，已引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注設(shè)計(jì)并合成性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)新穎的有機(jī)聚合物電子給體和電子受體材料、提高光電轉(zhuǎn)換率是太陽能電池研發(fā)的關(guān)鍵問題之一本文簡要介紹了異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池的特點(diǎn)和工作原理，從聚對苯撐乙烯衍生物、苯并噻吩類以及苯并

2、噻二唑類聚合物三個(gè)方面系統(tǒng)地綜述了有機(jī)太陽能電池給體材料的研究進(jìn)展同時(shí)，依據(jù)有機(jī)太陽能電池受體材料的發(fā)展歷程，較全面闡述了富勒烯衍生物、，聯(lián)亞芴基衍生物和苝二酰亞胺衍生物三類受體材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在有機(jī)光伏器件中的應(yīng)用與發(fā)展最后，對異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景做了展望關(guān)鍵詞：異質(zhì)結(jié)，光電轉(zhuǎn)化率，給體材料，受體材料，（，）：，：，南京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)）第卷隨著全球能源需求量的逐年增加，煤炭等傳統(tǒng)能源的逐漸耗盡太陽能作為一種綠色清潔的能源，取之不盡、用之不竭，它的開發(fā)與應(yīng)用越來越受到各國研究者的青睞無機(jī)太陽能電池因原料成本高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜和半導(dǎo)體材料易腐蝕等不利因素限制了其普及，而有

3、機(jī)太陽能電池制備工藝簡單、易于實(shí)現(xiàn)大面積制造而且成本較低，有望在不久的將來替代無機(jī)太陽能電池與無機(jī)太陽能電池材料相比，有機(jī)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率比較低、耐久性差為解決這些問題，科研人員提出了異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池的概念并在此基礎(chǔ)上開展了合成新材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)以及完善理論等方面的研究與探索，為新型高性能有機(jī)太陽能電池的材料設(shè)計(jì)、器件制備提供了良好借鑒，異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池概述年，初次報(bào)道了異質(zhì)結(jié)型的有機(jī)太陽能電池，同時(shí)引入電子給體（型）電子受體（型）有機(jī)雙層異質(zhì)結(jié)的概念下面針對異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池的概念及基本原理進(jìn)行歸納總結(jié)異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池的基本理論異質(zhì)結(jié)是指不同半導(dǎo)體材料間兩種不同層次或

4、區(qū)域之間形成的二維界面，由有機(jī)太陽能電池材料形成的異質(zhì)結(jié)即為異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池分為異質(zhì)結(jié)、混合異質(zhì)結(jié)、本體異質(zhì)結(jié)和級聯(lián)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽能電池異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)為：玻璃陽極給體材料受體材料金屬電極因給體受體異質(zhì)結(jié)的存在，光電轉(zhuǎn)換效率較高；混合異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)為：玻璃陽極給體受體混合材料金屬電極因給體受體接觸界面積增大，激子解離效率提高；本體異質(zhì)結(jié)（，）有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)一般為：給體材料受體材料，由給體和受體均勻混合形成其活性層等，以多種非共軛柔性鏈作為連接給體和受體的橋梁，合成了有序的本體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池材料，并制備成光伏器件，依據(jù)光電轉(zhuǎn)化機(jī)理優(yōu)化器

5、件，使電池的能量轉(zhuǎn)化效率及其他性能得到提高到目前為止，它成為構(gòu)建異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池最有效的體系結(jié)構(gòu)由兩個(gè)或兩個(gè)以上的器件單元串聯(lián)成的疊層電池為級聯(lián)電池，可利用不同材料對太陽光譜的吸收范圍不同，提高器件效率異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池的基本原理異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池工作原理的核心在于發(fā)生在電子給體電子受體（，）界面的光致超快電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象工作原理主要包含以下個(gè)過程：激子產(chǎn)生、激子擴(kuò)散、激子解離、自由載流子的收集光激發(fā)有機(jī)太陽能電池材料的活化層，產(chǎn)生激子；激子擴(kuò)散到電子給體（）電子受體（）的異質(zhì)結(jié)界面便會解離成自由載流子；載流子傳輸?shù)诫姌O形成光電壓依據(jù)以上原理，科研人員對異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池進(jìn)行了多

6、方面的研究，以使太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率提升、組件壽命延長且制造成本低廉研究表明：（）在異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池中，因異質(zhì)結(jié)界面的存在，激子在產(chǎn)生后很短的時(shí)間內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)電子和空穴的分離而避免復(fù)合，顯著提高了激子分離效率而有利于光電流的產(chǎn)生（）太陽能電池材料的吸收光譜與太陽光譜匹配程度、載流子遷移率和合適的能級水平對于獲得高的器件效率至關(guān)重要此外，供體材料的能隙在左右有利于太陽光的吸收，異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池材料異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池材料是由電子給體材料和電子受體材料所組成的復(fù)合體系，通過選擇不同的給體和受體材料，改變兩種材料的混合比例，采用不同的共混溶劑以及活性層的熱退火處理等過程都可以不同程度地

7、影響到異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率給體材料異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池的關(guān)鍵部分是活性層，由給體材料和受體材料共混制備而成典型的受體材料為富勒烯及其衍··第期張超智等：異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池材料的最新研究進(jìn)展生物材料，對于給體材料，選擇面較廣，比如具有共軛結(jié)構(gòu)的多聚物、有機(jī)小分子等其中，以聚對苯撐乙烯、苯并噻吩、苯并噻二唑等給體材料的研究最為廣泛 圖聚對苯撐乙烯衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)（）聚甲氧基（乙基）己氧基對苯撐乙烯（）是目前研究最為充分的一類給體材料等合成了，并對其進(jìn)行研究研究表明，該聚合物溶解性較好、禁帶適中、性能穩(wěn)定於黃忠等以為給體材料，為受體材料進(jìn)行分析分析發(fā)現(xiàn)，隨著

8、含量的增加，傳輸電荷的能力增強(qiáng)當(dāng)時(shí)，器件活性層形成優(yōu)良的互穿網(wǎng)絡(luò)，器件性能最佳和對苯乙烯類聚合物進(jìn)行研究以給體與受體共混制備有機(jī)太陽能電池，并通過、等方法對其進(jìn)行研究研究表明，所制器件表現(xiàn)出很強(qiáng)的光響應(yīng)：開路電壓為，外部量子效率高達(dá)以為給體材料，以為受體材料進(jìn)行了類似的研究發(fā)現(xiàn)，給受體材料混合時(shí)表現(xiàn)出的光電性能比單一材料的高等以（給體）與（受體）共混的光伏器件的光電轉(zhuǎn)化率高達(dá)最近該課題組，使用不同沸點(diǎn)的溶劑或溶劑的混合物調(diào)節(jié)混合形態(tài)，深入研究相應(yīng)的光物理性能苯并噻吩（）具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)的對稱性和剛性稠芳香體系可以提高電子的離域，分子間的作用力可以提高電荷遷移率；作為弱給體，它能使所得

9、聚合物維持低的能級等報(bào)道了以苯并噻吩為給體單元，苯并三唑?yàn)槭荏w單元的給體受體共軛聚合物：，并以它作為聚合物給體，與受體共混形成異質(zhì)結(jié)太陽能電池，對其性能進(jìn)行研究隨后，劉小銳等在受體單元上引入一個(gè)強(qiáng)吸電性的氰基（簡寫），并與給體單元形成共軛聚合物給體材料，利用理論分析了強(qiáng)吸電基團(tuán)的引入對聚合物給體光物理性質(zhì)等參數(shù)的影響，結(jié)果表明：與相比，具有強(qiáng)而寬的吸收范圍而且，表現(xiàn)出更大的開路電壓和更好的抗氧化性等設(shè)計(jì)合成了小分子：和，并分別以其作為給體材料與共混制備了異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池其中以為給體材料的光伏器件的光電轉(zhuǎn)化率高達(dá)苯并噻二唑具有較強(qiáng)的吸電子能力、較高的氧化電位和較好的空氣穩(wěn)定性，將其作為電子

10、受體單元，與給體單元形成給體受體（）共軛聚合物，應(yīng)用于異質(zhì)結(jié)太陽能電池中可獲得較低的能帶隙、較高的光電轉(zhuǎn)換效率等以苯并噻二唑作為強(qiáng)吸電子單元與咔唑形成共聚物，研究發(fā)現(xiàn)：以共聚物作為給體材料，為受體材料，制備的異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池器件的能量轉(zhuǎn)換效率高、器件壽命長等對共聚物進(jìn)行取代，得到聚合物，并以其為給體材料，為受體材料制備的太陽能電池能量轉(zhuǎn)化率為若將聚合物上咔··南京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)）第卷唑氮原子取代基用芳基取代，發(fā)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化效率降低，由此可見咔唑環(huán)上烷基供電子鏈在調(diào)節(jié)聚合物能帶隙中的重要作用年，等設(shè)計(jì)了一系列聚合物，并對其中噻吩單元上烷基對太陽能電池材料性能的進(jìn)行了研

11、究，結(jié)果表明，烷基鏈的取代位置影響活化層的形貌，而且烷基取代基的引入使能量轉(zhuǎn)化效率降低，無取代基時(shí)效率最高受體材料雖然有機(jī)光伏電池領(lǐng)域研究較為活躍的是電子給體材料，但大批科研工作者仍致力于研究新型受體材料因?yàn)橛袡C(jī)光伏器件光電轉(zhuǎn)換效率的重大突破往往與新型給受體材料的研究有著密切關(guān)系其中研究最為廣泛的受體材料是富勒烯衍生物、，聯(lián)亞芴基衍生物、苝二酰亞胺衍生物等受體材料 圖苯并噻吩類聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu) 圖苯并噻二唑類聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)富勒烯屬于缺電子烯，三維共軛的電子結(jié)構(gòu)使得它具有良好的得電子能力和光電傳輸性能課題組首次合成了富勒烯衍生物，并將其應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池中隨后，等一系列與結(jié)構(gòu)相似的受體材料也

12、相繼誕生此外，一些非結(jié)構(gòu)的富··第期張超智等：異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池材料的最新研究進(jìn)展勒烯衍生物受體材料也受到研究人員的關(guān)注年，李永舫課題組合成了茚的雙加成富勒烯衍生物、，將其與共混制成光電器件后的光電轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到了和等設(shè)計(jì)合成了二氫化萘類富勒烯，并以其為受體材料，與給體材料共混制備了有機(jī)太陽能電池器件研究發(fā)現(xiàn)，在可見光區(qū)域內(nèi)有著更強(qiáng)的吸收和更寬的吸收范圍，而且相應(yīng)的光伏器件能量轉(zhuǎn)化率達(dá)等合成了新型二氫化萘類富勒烯衍生物受體材料，并針對取代基對該材料制成的光伏器件能量轉(zhuǎn)換效率的影響進(jìn)行研究研究發(fā)現(xiàn)，雙加成物在可見光區(qū)域具有很強(qiáng)的吸收，以其與共混制成的有機(jī)太陽能電池器件中

13、，能量轉(zhuǎn)化率達(dá)到了，具有獨(dú)特的電子芳香結(jié)構(gòu)，由于芴及其衍生物含有一個(gè)剛性的平面內(nèi)聯(lián)苯單元，因此其熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性都很好等在，的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合成了新型受體材料，并將其與共混制備了有機(jī)太陽能電池器件，器件能量轉(zhuǎn)化率為 圖富勒烯衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu) 圖類衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)苝二酰亞胺類分子具有較大的共軛結(jié)構(gòu)，具有較高的電子遷移率，成為近年來備受關(guān)注的異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池受體材料等在萘二亞胺（）基礎(chǔ)上，對新型··· · 南京大學(xué)學(xué)報(bào) （ 自然科學(xué) ） 第 卷 共聚 物 （ ）進(jìn) 行 了 研 究 （ ） 在有機(jī)場效應(yīng)晶體管（ ） （ · 結(jié)構(gòu)中測量 的 電

14、子 遷 移 率 高 達(dá) 明顯改善 改善效 果 ： （ ） ） 優(yōu)于 而且在膜形成的 ： （ 早期階段 ， 通過抑制 可以 共 聚 物 的 聚 集 ， 獲得最佳的納米形態(tài) 若用四氫化萘作溶劑 ， 電 池的光電轉(zhuǎn)化率為 等 ） 最近 ， 他們 以 其 為 受 體 材 料 ， 與給體材料共 混制 得 新 型 異 質(zhì) 結(jié) 型 有 機(jī) 太 陽 能 電 池 ， 光電轉(zhuǎn) 換效率為 對兩個(gè) 等 型 合成了一種新的苝二酰亞胺衍生物受體材料 ， 將其 與 給 體 材 料 共混制得的器 件效率 達(dá) 到 經(jīng) 過 熱 退 火 處 理 后， 器件 光電轉(zhuǎn)換效率提高到了 受體 ： 和 （ 進(jìn) （ ） ） ： 行了研究 研

15、究 表 明： 在 型 聚 合 物 通過 共混 制 得 的 異 質(zhì) 結(jié) 型 有 機(jī) 太 陽 能 電 池 中 ， 向溶 劑 二 甲 苯 中 加 入 氰 基 萘 ， 器件的性能得到 圖 苝二酰亞胺衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu) 結(jié)論與展望 近年來 ， 異質(zhì) 結(jié) 型 有 機(jī) 太 陽 能 電 池 逐 漸 成 為最 有 前 途 的 光 伏 器 件 之 一 隨著科研人員對 新型給受體材料和新器件結(jié)構(gòu)研究的深入 ， 有 使用 機(jī)太 陽 能 電 池 器 件 的 制 造 成 本 不 斷 降 低 、 壽命 和 器 件 光 電 轉(zhuǎn) 化 率 逐 漸 提 高 ， 異質(zhì)結(jié)型有 機(jī)太 陽 能 電 池 成 為 一 種 低 耗 、 高效的有機(jī)

16、光伏 器件 ， 發(fā)展?jié)摿薮?但是離其商業(yè)化應(yīng)用仍有 這主要是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能 一段 距 離 ， 電池 存 在 載 流 子 遷 移 率 低 、 器件形貌不可有效 調(diào)控以及器件穩(wěn)定性差等問題 今后， 科研人員應(yīng)根據(jù)異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽 從廉價(jià)易得的原料出 能電池 光 電 轉(zhuǎn) 化 機(jī) 理， 發(fā)， 有針對性地 設(shè) 計(jì) 合 成 新 型 材 料， 復(fù)合優(yōu)化 現(xiàn)有的材料體 系， 提 高 光 電 轉(zhuǎn) 換 率， 創(chuàng)造出價(jià) 各項(xiàng)性能優(yōu)異的新型異質(zhì)結(jié)型有機(jī) 廉易得、 太陽能電池 致 謝 對所有幫助該論文順利完成的老師和 同學(xué)表示誠摯的謝意 第期 張超智等 ： 異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池材料的最新研究進(jìn)展 （ ） ：

17、 ， · · ， ， ， ， ： ， （ ） ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， ， ： （ ） ： ， （ ） ： ， ， （ ） ： ， ， ： ， ， ， ， ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ： ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， ： （ ） ： ， ， ， ， ， ： ， ， ， ， ： ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ， 彭俊彪 ， 周曉明 ， 於 黃 忠 不 同 比 例 的 與 物 理 學(xué) 報(bào)， 共 混 體 系 光 電 池 性 能 研 究 （ ） ： ， ， ， ， ， ， ： ， ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （ ） ： ， 劉小銳 ， 陳春香 ， 何榮 幸 等 兩種異質(zhì)結(jié)太陽能電 池聚合 物 供 體 材 料 的 設(shè) 計(jì) 與 理 論 性 質(zhì) 化學(xué)學(xué) （ ） ： 報(bào)， ， ， ， ， ： ， ， · · 南京大學(xué)學(xué)報(bào) （ 自然科學(xué) ） 第 卷 ， （ ） ：