1、第 卷第期 年月南京大学学报（自然科学）（），基金项目：江苏省特聘教授科研经费（），江苏省产学研项目（），教育部留学回国启动基金（）收稿日期：通讯联系人，：异质结型有机太阳能电池材料的最新研究进展张超智，李世娟，胡鹏，沈丹，张骁，孙晓飞（南京信息工程大学环境与科学工程学院，南京，）摘要：作为一种低耗、高效的有机光伏器件，异质结型有机太阳能电池具有成本低、重量轻、柔韧性好等优点，已引起国内外的广泛关注 设计并合成性能优良、结构新颖的有机聚合物电子给体和电子受体材料、提高光电转换率是太阳能电池研发的关键问题之一本文简要介绍了异质结型有机太阳能电池的特点和工作原理，从聚对苯撑乙烯衍生物、苯并噻吩类以
2、及苯并噻二唑类聚合物三个方面系统地综述了有机太阳能电池给体材料的研究进展同时，依据有机太阳能电池受体材料的发展历程，较全面阐述了富勒烯衍生物、，联亚芴基衍生物和苝二酰亚胺衍生物三类受体材料的结构特点及其在有机光伏器件中的应用与发展最后，对异质结型有机太阳能电池发展趋势和应用前景做了展望关键词：异质结，光电转化率，给体材料，受体材料 ，（，）：，：，南京大学学报（自然科学）第 卷随着全球能源需求量的逐年增加，煤炭等传统能源的逐渐耗尽 太阳能作为一种绿色清洁的能源，取之不尽、用之不竭，它的开发与应用越来越受到各国研究者的青睐 无机太阳能电池因原料成本高、生产工艺复杂和半导体材料易腐蚀等不利因素限制
3、了其普及，而有机太阳能电池制备工艺简单、易于实现大面积制造而且成本较低，有望在不久的将来替代无机太阳能电池与无机太阳能电池材料相比，有机太阳能电池的转换效率比较低、耐久性差 为解决这些问题，科研人员提出了异质结型有机太阳能电池的概念并在此基础上开展了合成新材料、优化结构以及完善理论等方面的研究与探索，为新型高性能有机太阳能电池的材料设计、器件制备提供了良好借鉴，异质结型有机太阳能电池概述 年，初次报道了异质结型的有机太阳能电池，同时引入电子给体（型）电子受体（型）有机双层异质结的概念下面针对异质结型有机太阳能电池的概念及基本原理进行归纳总结 异质结型有机太阳能电池的基本理论异质结是指不同半导体
4、材料间两种不同层次或区域之间形成的二维界面，由有机太阳能电池材料形成的异质结即为异质结型有机太阳能电池 异质结型有机太阳能电池分为异质结、混合异质结、本体异质结和级联结构有机太阳能电池异质结有机太阳能电池的结构为：玻璃 阳极 给 体 材 料 受 体 材 料 金 属 电 极 因给体受体异质结的存在，光电转换效率较高；混合异质结有机太阳能电池的结构为：玻璃 阳极 给体受体混合材料 金属电极 因给体受体接触界面积增大，激子解离效率提高；本体异质结（，）有机太阳能电池的结构一般为：给体材料受体材料 ，由给体和受体均匀混合形成其活性层 等，以多种非共轭柔性链作为连接给体和受体的桥梁，合成了有序的本体异质
5、结有机太阳能电池材料，并制备成光伏器件，依据光电转化机理优化器件，使电池的能量转化效率及其他性能得到提高 到目前为止，它成为构建异质结型有机太阳能电池最有效的体系结构 由两个或两个以上的器件单元串联成的叠层电池为级联电池，可利用不同材料对太阳光谱的吸收范围不同，提高器件效率 异质结型有机太阳能电池的基本原理异质结型有机太阳能电池工作原理的核心在于发生在电子给体 电子受体（，）界面的光致超快电荷转移现象 工作原理主要包含以下个过程：激子产生、激子扩散、激子解离、自由载流子的收集 光激发有机太阳能电池材料的活化层，产生激子；激子扩散到电子给体（）电子受体（）的异质结界面便会解离成自由载流子；载流子
6、传输到电极形成光电压依据以上原理，科研人员对异质结型有机太阳能电池进行了多方面的研究，以使太阳能电池能量转换效率提升、组件寿命延长且制造成本低廉研究表明：（）在异质结型有机太阳能电池中，因异质结界面的存在，激子在产生后很短的时间内就能实现电子和空穴的分离而避免复合，显著提高了激子分离效率而有利于光电流的产生（）太阳能电池材料的吸收光谱与太阳光谱匹配程度、载流子迁移率和合适的能级水平对于获得高的器件效率至关重要此外，供体材料的能隙在 左右有利于太阳光的吸收，异质结型有机太阳能电池材料异质结型有机太阳能电池材料是由电子给体材料和电子受体材料所组成的复合体系，通过选择不同的给体和受体材料，改变两种材
7、料的混合比例，采用不同的共混溶剂以及活性层的热退火处理等过程都可以不同程度地影响到异质结型有机太阳能电池的能量转换效率 给体材料异质结型有机太阳能电池的关键部分是活性层，由给体材料和受体材料共混制备而成 典型的受体材料为富勒烯及其衍第期张超智等：异质结型有机太阳能电池材料的最新研究进展生物材料，对于给体材料，选择面较广，比如具有共轭结构的多聚物、有机小分子等 其中，以聚对苯撑乙烯、苯并噻吩、苯并噻二唑等给体材料的研究最为广泛图聚对苯撑乙烯衍生物的化学结构 （）聚甲氧基（乙基）己氧基对苯撑乙烯（）是目前研究最为充分的一类给体材料 等 合成了 ，并对其进行研究 研究表明，该聚合物溶解性较好、禁带适
8、中、性能稳定於黄忠等 以 为给体材料，为受体材料进行分析分析发现，随着 含量的增加，传输电荷的能力增强 当 时，器件活性层形成优良的互穿网络，器件性能最佳 和 对苯乙烯类聚合物进行研究 以给体 与受体 共混制备有机太阳能电池，并通过、等方法对其进行研究研究表明，所制器件表现出很强的光响应：开路电压为，外部量子效率高达 以 为给体材料，以 为受体材料进行了类似的研究发现，给受体材料混合时表现出的光电性能比单一材料的高 等 以 （给体）与 （受体）共混的光伏器件的光电转化率高达 最近该课题组，使用不同沸点的溶剂或溶剂的混合物调节混合形态，深入研究相应的光物理性能苯并噻吩（）具有相当好的稳定性，其结
9、构的对称性和刚性稠芳香体系可以提高电子的离域，分子间的作用力可以提高电荷迁移率；作为弱给体，它能使所得聚合物维持低的 能级 等 报道了以苯并噻吩为给体单元，苯并三唑为受体单元的给体受体共轭聚合物：，并以它作为聚合物给体，与受体 共混形成异质结太阳能电池，对其性能进行研究随后，刘小锐等 在受体单元 上引入一个强吸电性的 氰 基（简 写 ），并 与 给 体 单 元 形成共轭聚合物给体材料，利用 理论分析了强吸电基团的引入对聚合物给体光物理性质等参数的影响，结果表明：与 相比，具有强而宽的吸收范围而且，表现出更大的开路电压和更好的抗氧化性 等 设计合成了小分子：和 ，并分别以其作为给体材料与 共混制
10、备了异质结型有机太阳能电池其中以 为给体 材 料 的 光 伏 器 件 的 光 电 转 化 率 高 达 苯并噻二唑具有较强的吸电子能力、较高的氧化电位和较好的空气稳定性，将其作为电子受体单元，与给体单元形成给体受体（）共轭聚合物，应用于异质结太阳能电池中可获得较低的能带隙、较高的光电转换效率 等 以苯并噻二唑作为强吸电子单元与咔唑形成共聚物，研究发现：以共聚物作为给体材料，为受体材料，制备的异质结型有机太阳能电池器件的能量转换效率高、器件寿命长 等 对共聚物进行取代，得到聚合物，并以其为给体材料，为受体材料制备的太阳能电池能量转化率为 若将聚合物上咔南京大学学报（自然科学）第 卷唑氮原子取代基用
11、芳基取代，发现能量转化效率降低，由此可见咔唑环上烷基供电子链在调节聚合物能带隙中的重要作用 年，等 设计了一系列聚合物，并对其中噻吩单元上烷基对太阳能电池材料性能的进行了研究，结果表明，烷基链的取代位置影响活化层的形貌，而且烷基取代基的引入使能量转化效率降低，无取代基时效率最高 受体材料虽然有机光伏电池领域研究较为活跃的是电子给体材料，但大批科研工作者仍致力于研究新型受体材料 因为有机光伏器件光电转换效率的重大突破往往与新型给受体材料的研究有着密切关系 其中研究最为广泛的受体材料是富勒烯衍生物、，联亚芴基衍生物、苝二酰亚胺衍生物等受体材料图苯并噻吩类聚合物的化学结构 图苯并噻二唑类聚合物的化学
12、结构 富勒烯属于缺电子烯，三维共轭的电子结构使得它具有良好的得电子能力和光电传输性能 课题组 首次合成了 富勒烯衍生物 ，并将其应用于有机太阳能电池中 随后，等一系列与 结构相似的受体材料也相继诞生 此外，一些非 结构的富第期张超智等：异质结型有机太阳能电池材料的最新研究进展勒烯衍生物受体材料也受到研究人员的关注 年，李永舫课题组合成了茚的双加成 富勒烯衍生物 、，将其与 共混制成光电器件后的光电转换效率分别达到了 和 等 设计合成了二氢化萘类富勒烯 ，并以其为受体材料，与给体材料 共混制备了有机太阳能电池器件 研究发现，在可见光区域内有着更强的吸收和更宽的吸收范围，而且相应的光伏器件能量转化
13、率达 等 合成了新型二氢化萘类富勒烯衍生物受体材料，并针对取代基对该材料制成的光伏器件能量转换效率的影 响 进 行 研 究 研 究 发 现，双 加 成 物 在可见光区域具有很强的吸收，以其与 共混制成的有机太阳能电池器件中，能量转化率达到了 ，具有独特的 电子芳香结构，由于芴及其衍生物含有一个刚性的平面内联苯单元，因此其热稳定性和化学稳定性都很好 等 在，的基础上设计合成了新型受体材料 ，并将其与 共混制备了有机太阳能电池器件，器件能量转化率为 图富勒烯衍生物的化学结构 图 类衍生物的化学结构 苝二酰亚胺类分子具有较大的共轭结构，具有较高的电子迁移率，成为近年来备受关注的异质结型有机太阳能电池
14、受体材料 等 在萘二亚胺（）基础上，对新型南京大学学报（自然科学）第 卷共 聚 物（）进 行 了 研 究（）在有机场效应晶体管（）结构中测量的电子迁移率高达 （）最近，他们以其为受体材料，与给体材料共混制得新型异质结型有机太阳能电池，光电转换效率为 等 对两个 型受体：（）和（）进行了研究 研究表明：在 ：型聚合物共混制得的异质结型有机太阳能电池中，通过向溶剂二甲苯中加入氰基萘，器件的性能得到明显改善 改善效果 ：（）优于 ：（）而且在膜形成的早期阶段，通过抑制 共聚物的聚集，可以获得最佳的纳米形态 若用四氢化萘作溶剂，电池的光电转化率为 等 合成了一种新的苝二酰亚胺衍生物受体材料 ，将其与给
15、体材料 共混制得的器件效率达到 经过热退火处理后，器件光电转换效率提高到了 图苝二酰亚胺衍生物的化学结构 结论与展望近年来，异质结型有机太阳能电池逐渐成为最有前途的光伏器件之一 随着科研人员对新型给受体材料和新器件结构研究的深入，有机太阳能电池器件的制造成本不断降低、使用寿命和器件光电转化率逐渐提高，异质结型有机太阳能电池成为一种低耗、高效的有机光伏器件，发展潜力巨大 但是离其商业化应用仍有一段距离，这主要是因为异质结型有机太阳能电池存在载流子迁移率低、器件形貌不可有效调控以及器件稳定性差等问题今后，科研人员应根据异质结型有机太阳能电池光电转化机理，从廉价易得的原料出发，有针对性地设计合成新型
16、材料，复合优化现有的材料体系，提高光电转换率，创造出价廉易得、各项性能优异的新型异质结型有机太阳能电池致谢对所有帮助该论文顺利完成的老师和同学表示诚挚的谢意第期张超智等：异质结型有机太阳能电池材料的最新研究进展 ，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：彭俊彪，周晓明，於黄忠不同比例的 与 共混体系光电池性能研究 物理学报，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：刘小锐，陈春香，何荣幸等两种异质结太阳能电池聚合物供体材料的设计与理论性质 化学学报，（）：，：，南京大学学报（自然科学）第 卷 ，（）：和平，李在房，侯秋飞等苯并噻二唑类有机太阳能电池材料研究进展 有机化学，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，：（），（）：，（）：，（）：
