有机太阳能电池 2

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1、有机太阳能电池【关键词】：有机太阳能电池、材料、共轭聚合物【摘要】：有机太阳能电池由于质轻、价廉、柔性，受到人们的广泛关注。开发性能优异的聚合物给体材料，是近期有机太阳能电池研究的主流方向之一。迄今为止，已经成功开发出各种各样具有优秀的给体性质的共轭聚合物。基于这些材料制备的有机太阳能电池器件，已经突破9％的光电转换效率。按照聚合物给体材料的主链结构分类，综述了近年来这方面的研究进展。对一些受到普遍关注的材料，从设计思想、性能剖析到器件制备和性能，做了详细的介绍，以期能够深层次理解材料的化学结构一凝

2、聚态结构一性能间的基本规律，为今后的材料研发提供有价值的参考。作为取之不尽、用之不竭、无污染的可再生与清洁能源，太阳能的充分利用是解决目前人类所面临的能源短缺和环境污染等问题的根本途径。实现廉价的太阳能发电，是人类梦寐以求的追求。在过去几十年中，以硅基为代表的无机半导体太阳能电池技术得到充分的发展，已经实现实用化。但是，由于其生产工艺复杂、成本高、不易实现大面积器件以及制造过程中带来的严重环境污染，限制了硅基太阳能电池的大规模推广应用。20世纪80，90年代出现的染料敏化和有机基太阳能电池(orga

3、nicsolarcells，OSCs)，采用廉价的光伏活性材料，为太阳能发电开辟了新的道路．染料敏化太阳电池采用无机纳米晶半导体和有机光敏剂相结合，其能量转换效率超过10％，但是由于其高效率的电池需要使用液态电解质和高腐蚀性氧化还原介质(I3，l一)，给实用化带来不便。而有机太阳能电池的活性层基本采用固态的有机聚合物半导体材料，具有一些独特优势：(1)有机材料质量轻、柔韧性好(2)有机材料可以进行化学设计、裁剪和合成。无资源存量的限制(3)电池器件制备工艺简单，可采取印刷、喷墨、打印等溶液加工法，成

4、本低(4)容易制备大面积和柔性器件。因此，有机太阳能电池自从发明以来，引起了科学家的极大兴趣。1.传统型共轭聚合物给体材料1.1聚苯乙烯撑(PoIy(p-phenyIenevinyIene),PPV）自从1990年Brroughes等发现PPv1的电致发光性能以来。PPv是在有机光电领域研究的最早、也最为广泛和深入的聚合物材料。由于PPv主链的刚性很强，无修饰的PPv具有难溶难熔的性质，一旦形成很难加工，从而给后处理和加工过程带来很大困难。最具代表性PPv聚合物之一为MEH—PPv[MEH：2一me

5、thoxy-5-(2’一ehtylhexyIoxy)]，通过侧链支化的烷氧长链提高溶解性能。MEH-PPv通常采用Gilch方法合成(图1)，这种合成方法反应条件比较温和，得到的聚合物分子量也大，多数聚合反应过程中会有凝胶或沉淀产生。图1另一种广泛使用的PPv聚合物为MDMO-PPV[MDMo：2一methoxy一5一(3，7一dimethyIoctyloxy)】，其结构特征是共轭主链苯上一取代基为甲氧基，另一为末端支化的长链烷氧基团。MDMo—PPV也经常作为一种电子给体材料用于有机太阳能电池的制

6、备。1.2聚噻吩（Polythiophene，PT)2聚噻吩是一类重要的聚合物光电材料，具有非常强的光吸收能力，吸收范围接近红外区域，也具有较高的载流子迁移能力，广泛用于有机光电器件、金属防腐涂层、传感探测电极等。早期报道聚噻吩没有取代基，由于主链结构具有刚性，这些聚噻吩大多不溶不熔，给后期加工造成难度，为解决这一问题，1986年EIsenbaumer等在噻吩的3位引入烷基，发现当烷基链大于正丁基时，得到的聚噻吩(P3AT)可溶于四氢呋喃、甲苯、二氯甲烷等有机溶剂。1984年，Glenis首次将电化

7、学聚合的聚噻吩夹在Al和Au电极间，测试其光伏性能。1994年Heeger等发现聚噻吩和C60之间可以发生有效的光诱导电荷分离，并用于制备双层电池器件，而Roman等制备了首例聚噻吩和C60的本体异质结电池器件。此后，大量的研究工作蓬勃开展，器件性能超过PPV类材料制备的器件，光电转化效率达到约5％以及最近的6．5％，从而使聚噻吩成为有机太阳能电池主导的电子给体材料。在聚噻吩类材料中，噻吩环通过2，5位连接，形成共轭主链，因此尚余3，4位，可以加以修饰。但是，由于3，4双取代的噻吩相邻链节之间位阻较

8、大，使得相邻噻吩环的共平面性变差，降低主链的共轭程度，从而不利于其光电性能。因此，在已报道的聚噻吩材料中，同时在3，4位修饰的几乎没有，而聚3-烷基噻吩(P3AT)则占据了大半江山。在此类材料，除了聚合度和分子量分布外，有两大结构因素影响材料的性能，一为烷基的长度，影响P3AT性能的另一结构因素为侧链的立构规整度(Regioregularity，RR）。2.窄带隙聚合物给体材料从上述的综述可以看出，采用聚噻吩，特别是P3HT3作为电子给体材料之后，有机太阳能电池的光电