聚合物太陽能電池研究進展

高飛　佟鈺　唐寧　趙宇　張玲麗沈陽建筑大學材料科學與工程學院 （遼寧沈陽　110168）

技術進展

聚合物太陽能電池研究進展

高飛佟鈺唐寧趙宇張玲麗
沈陽建筑大學材料科學與工程學院 （遼寧沈陽110168）

摘要闡述了聚合物太陽能電池與傳統無機太陽能電池的區別，指出了聚合物太陽能電池的優勢。介紹了聚合物太陽能電池的工作原理、器件結構和光電效應的產生過程以及聚合物太陽能電池材料的發展，分析了目前制約電池效率和穩定性提高的主要因素，提出了提高聚合物太陽能電池效率的途徑，并展望了聚合物太陽能電池的發展方向。

關鍵詞聚合物太陽能電池工作原理器件結構電池效率

0　引言

當今世界經濟飛速發展，能源的消耗日益增加，在過去的幾十年中，太陽能作為一種綠色能源被廣泛推廣使用，太陽能電池技術也獲得了巨大發展。與無機太陽能電池相比，聚合物太陽能電池具有成本低、輕薄、制作工藝簡單以及可制備成柔性太陽能電池器件等特點，而且其原材料種類繁多、可設計性強，可以通過對材料的改性來提高其性能。基于上述獨特的優點，聚合物太陽能電池成為近年來最熱門的研究領域之一。

1979年，Tang[1-2]介紹了給體-受體型雙層平面異質結聚合物太陽能電池，其功率轉換效率（PCE）約為1%。有機光伏技術領域的一個重大突破是C60富勒烯及其衍生物（如PCBM）的應用替代有機光伏器件中的n型分子。由于強電負性和高電子遷移率，C60衍生物已成為有機光伏器件中標準的n型分子。在20世紀90年代前期，Sariciftci等[3]和Morita等[4]分別證明了共軛聚合物與富勒烯衍生物之間的電子轉移，他們觀察到超快的光誘導電子轉移過程，持續時間約為50～100 fs，這一光物理現象的發現具有非常重大的意義。這些發現為有機太陽能電池技術提供了堅實的基礎。1993年，研究者首次對平面異質結聚合物太陽能電池進行了闡述[5]。

平面結的概念具有一定的局限性，其給體、受體材料接觸面積較小，而且載流子的壽命不能確保電子和空穴能夠到達各自的電極。這些問題可以通過在有機太陽能電池主要結構部件中將給體和受體材料共混形成活性層從而引入本體異質結結構得以解決。該設想首先由Hiramoto等[6]證實，在高真空條件下通過同時蒸鍍給體和受體分子而形成體異質結結構。1995年，兩個研究組分別制備了聚合物-富勒烯和聚合物-聚合物共混物體系的高效本體異質結聚合物太陽能電池[7-8]。目前聚合物-富勒烯體系主導了高效聚合物太陽能電池領域的研究。聚合物太陽能電池效率逐步提升，目前已接近10%，這些顯著的進展讓有機太陽能電池的未來發展充滿希望。

1　聚合物太陽能電池的原理及其器件結構

當前有機太陽能電池研究的主流是基于共軛聚合物的本體異質結聚合物太陽電池，此類器件通常由共軛聚合物（電子給體）和PCBM（C60的可溶性衍生物）（電子受體）的共混膜（光敏活性層）夾在ITO（氧化銦錫）透光電極（正極）和Al等金屬電極（負極）之間所組成（見圖1）。通常ITO電極上需要旋涂一層透明導電聚合物——PEDOT：PSS（聚3,4乙撐二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸）的修飾層，厚度為30～60 nm，光敏活性層的厚度一般為100～200 nm。正極應該具有高的功函數，而負極使用低功函數的金屬電極。此類太陽能電池的工作原理見圖2。

圖1　聚合物太陽能電池器件示意圖

圖2　聚合物太陽能電池的工作原理圖

當光透過ITO電極照射到活性層上時，活性層中的共扼聚合物給體吸收光子產生激子（電子－空穴對），激子遷移到聚合物給體/受體界面處，其中的電子轉移給電子受體PCBM的LUMO（最低空分子軌道或最低未占分子軌道）能級，空穴保留在聚合物給體的HOMO（最高占據分子軌道）能級上，從而實現光生電荷分離，然后在電池內部勢場（其大小正比于正負電極的功函數之差、反比于器件活性層的厚度）的作用下，被分離的空穴沿著共軛聚合物給體形成的通道傳輸到正極，而電子則沿著受體形成的通道傳輸到負極。空穴和電子分別被相應的正極和負極收集以后形成光電流和光電壓，即產生光伏效應。

2　聚合物太陽能電池材料的發展

聚合物太陽能電池的發展始終伴隨著材料科學的創新。圖3給出了一些代表性材料的化學結構。最早的聚合物太陽能電池所用的聚合物為MEH-PPV［聚2－甲氧基－5－（2－乙烯基－己氧基）聚對苯乙烯撐］，由Wudl等人合成[9]。Wudl還發明了一種最重要的富勒烯衍生物——PCBM，PCBM是聚合物太陽能電池受體發展的一個里程碑，至今仍然被廣泛使用。1995年，Yu等[7]將MEH-PPV與富勒烯、富勒烯的衍生物共混，首次得到了具有較高能量轉換效率的太陽能電池。該項工作開辟了聚合物材料用于太陽能轉換領域的新時代。基于PPV材料體系的聚合物太陽能電池經過研究人員的優化，效率已經超過3%。

然而，太陽能電池效率的進一步提升受到了聚合物材料相對低的空穴遷移率和過窄的光學吸收帶的限制。可溶性的聚噻吩特別是聚3－己基噻吩（P3HT）具有高的空穴遷移率[10-11]，因此較MEH-PPV的光學吸收帶寬2000年，P3HT成為聚合物太陽能電池的標準材料。通過形貌控制優化[12-13]，其能量轉化效率可以達到4%～5%，成為世界有機太陽能電池領域的關注焦點。

圖3　具有代表性的太陽能電池給體和受體的化學結構

近年來，許多高性能的聚合物太陽能電池材料得到開發利用，聚｛2,6－（4,4－雙－（乙－乙基己基）－4H－環戊［2,1－6;3,4-6'］雙噻吩）－交替－4,7 （2,1,3－苯并噻二唑）｝（PCPDTBT）是其中之一,它是一種窄帶隙聚合物材料,其光學吸收的波長可以達到900 nm。基于PCPDTBT材料體系的太陽能電池最初效率僅為3%[14]，通過在PCPDTBT中引入添加劑熔基硫醇，其能量轉換效率被提升到5.5%左右[15]。Lecler等[16]合成的基于PCDTBT的聚合物太陽能電池效率為3.6%，2009年，通過引入氧化鈦（TiOx）作為光學隔離層，這種聚合物太陽能電池的效率被提高到6.1%[17]。Liang等[18-20]合成了一系列帶有噻吩并[3,4-b]噻吩（TT）和苯并[1,2-6;4,5-6']二噻吩（BDT）單元的高性能聚合物材料，這也是第一次通過給體材料使聚合物太陽能電池能量轉化效率達到7%～8%的水平。此后，能量轉化效率達到7%以上的太陽能電池不斷涌現，它們都是基于太陽能電池的結構優化或新材料體系[21-27]。

目前材料的創新是聚合物太陽能電池性能提升的主要驅動力。材料設計的關鍵在于通過工程設計縮小聚合物的帶隙和擴大給體HOMO能級以及受體LUMO能級之差以實現提高短路電流和開路電壓、提高聚合物的平面度以達到高的載流子遷移率等目的，同時還要考慮到材料的加工性能和穩定性[28-29]。上述因素相互關聯，對單一聚合物進行所有因素的優化仍然是一個重大的挑戰。

聚合物太陽能電池的效率η=VOC×JSC×FF，其中VOC為開路電壓、JSC為短路電流FF為填充因子。在過去的10年有關聚合物設計和參數優化的理論知識有了明顯發展。

聚合物太陽能電池的開路電壓可以通過經驗公式VOC=e-1×（EdonorHOMO-EPCBMLUMO）-0.3V進行計算，其中e是電子電荷，E是能級差，0.3V是電荷分離效率的經驗值[30]。HOMO能級較低的給體聚合物將產生較高的VOC。P3HT是迄今為止應用最廣泛的給體，HOMO能級約為4.9 eV[31]，與之對應的VOC值大約為0.6 V。

噻吩是一種富電子的聚合物[32-33]，而在聚合物太陽能電池領域電子含量低的聚合物具有較低的HOMO能級，如芴和咔唑等，它們經常被用作寬能帶隙材料。將這些給電子能力較弱的物質加入到聚合物給體中，可以顯著增加V。Cao等[34]證明了含有OC芴單元的聚合物太陽能電池的開路電壓VOC≈1 V。Inganas等[35]也報道了聚合物給體中含有芴和喹喔啉交替結構，其開路電壓VOC≈1 V。PCDTBT聚合物鏈中包含咔唑單元，其開路電壓V≈0.89V[16]。給體和OC受體之間的非輻射復合也會影響VOC。將其消除有助于最大限度地提高VOC[36]。然而，將聚合物的設計與該消除過程相結合比較困難。

JSC是另外一個影響聚合物太陽能電池性能的重要參數。實現高JSC的最有效策略是減小聚合物太陽能電池材料的能帶隙（小于1.8 eV）使其可以吸收更廣范圍內太陽光譜[28-29，37]，方法包括設計交替的給體-受體結構、穩定醌型結構、控制聚合物鏈的平面性和調整有效的共軛長度。設計交替的給體-受體結構是最常見的方法，在這種具有推挽效應的給體-受體結構單元中，通過光誘導分子內電荷轉移，有利于聚合物鏈中形成電子的離域和低帶隙的醌型結構[28,38-39]。

根據分子軌道攝動理論，電子離域引起分子軌道的雜化，導致電子在相互作用的軌道之間再分配，由此會形成兩個新的雜化軌道（一個更高的HOMO能級水平和一個更低的LUMO能級水平），進而導致能帶隙變窄。其中最成功的例子是PCPDTBT的給體-受體結構[14-15]。PCPDTBT通過混入二甲基環戊二烯并噻吩單元和苯并噻二唑單元，使能帶隙的寬度擴大到1.4 eV（900 nm）。該給體-受體結構并不限于聚合物主鏈。Huang等[40]研究表明，給體主鏈含有受體基側鏈的給體-受體結構也可以導致較低的能帶隙。另一個降低帶隙方法是形成穩定的醌共軛結構單元[18,37]。Yu等[33]發現噻吩并[3,4-b]噻吩單元可以通過一個稠合噻吩環穩定醌結構。含有TT和BDT交替單元聚合物的能帶隙約為1.6 eV。

帶隙變窄不是影響JSC的唯一因素,其他因素還包括載流子遷移率、分子間相互作用和分子鏈的堆砌方式，因此，聚合物化學結構和結晶度的調整均對其JSC值有顯著影響。Yang等[41-42]通過硅原子取代PCPDTBT橋接碳原子合成了PSBTBT。與PCPDTBT相比，PSBTBT具有較高的結晶度，因此PCPDTBT的空穴遷移率較高，JSC值也較高。通過改善分子堆砌結構提高分子空間結構的平面性也可以提高空穴遷移率[43-44]。

雖然采用上述策略可以提高開路電壓和短路電流，但是同時提高開路電壓和短路電流仍然比較具有挑戰性。縮小的帶隙可以提高短路電流，但由于較高的HOMO，VOC可能會相應降低。研究人員最近還發現結構微調可以同時有效提高開路電壓和短路電流[19-22]。例如，把氟原子引入TT結構單元中可同時降低HOMO和LUMO、提高VOC并保持能帶隙大小不變。微調的側鏈結構也能達到類似的效果，例如采用富電子程度較低的烷基側鏈取代富電子的烷氧基側鏈可同時降低HOMO和LUMO能級。

影響聚合物太陽能電池效率的第三個參數是FF。FF為實際功率與可獲得的最大功率之間的比率，它受到許多因素的影響，包括電荷的載流子遷移率和平衡、界面復合、串聯和并聯電阻、薄膜的形態和給體與受體之間的相容性[44]。

目前，明確認識并有效調節FF仍具有一定的困難。從材料設計的角度看，應考慮分子結構的平面性、分子間的相互作用、分子鏈堆砌結構和結晶度、高流動性單元結構等因素。側鏈的調整對提高FF也有相當大的改善作用。例如，Fréchet等[45]通過優化側鏈結構合成了側鏈為聚N,N－二（4－丁苯基）－N,N－二（苯基）對二氨基聯苯（TPD）的聚合物，側鏈的調整有利于優化π-π堆積、聚合物的結晶度和材料的相容性，并將FF從55%提高到68%[26]。

新的受體也可以提高光電轉換效率[46-50]。例如，C70衍生物較C60衍生物表現出更好的光子吸收能力。C70衍生物取代C60衍生物可將JSC提升10%左右。此外，還可以通過使用新的受體材料提高VOC。提高LUMO能級也會提高VOC，這一現象最明顯的例子是C60與茚的雙加成物。基于P3HT系統的聚合物太陽能電池，在富勒烯中添加富電子的茚單元，與PC61BM相比其LUMO能級上移0.17 eV，開路電壓提高40%達到0.84V。雖然茚和富勒烯雙加成物的性能超過PC61BM的性能，但是提高其與其他聚合物給體相容性仍然是一個難題。

3　聚合物太陽能電池的新成果及發展前景

實驗室的聚合物太陽能電池的最大光電轉換效率必須在15%以上（目前的組件效率在10%～12%）才能有實際應用的價值。串聯式太陽能電池結合了兩個或多個具有不同吸收范圍的子單元（見圖4），這顯然是一個非常有吸引力的提高光電轉換效率的方式，因為它可以提高光子的利用效率顯著，從而保持開路電壓處于穩定狀態[51]。

圖4　串聯聚合物太陽能電池的器件結構

圖4為溶液法制備的串聯聚合物太陽能電池的典型結構。關鍵組件技術包括子單元高效匹配使VOC最大化、子單元光譜區間的匹配和溶液法制備的穩定透明的界面層。在過去的兩年中，設備創新、與光敏材料的結合和界面層的改進等為串聯式太陽能電池提供了一個堅實的基礎。研究結果證明了串聯式太陽能電池的可行性，目前其效率最大可以達到8.6%[52-54]。

穩定性是聚合物太陽能電池進入市場之前必須解決的主要問題之一。聚合物太陽能電池必須具有足夠的穩定性才會更具有市場競爭力。組件效率7%和七年壽命是卷軸式連續制造工藝生產聚合物太陽能電池的極限。許多研究小組已經表明，與傳統的系統相比，反型聚合物太陽能電池有更長的壽命。在工業應用領域，Konarka公司的第一代具有柔韌性的聚合物太陽能電池板壽命為3年，并且采用了柔性封裝。所有這些技術進步是令人鼓舞的，OLED（有機發光二極管）行業的發展已表明實現長壽命的聚合物太陽能電池雖然具有挑戰性，但并非不可能。延長聚合物太陽能電池的使用壽命是一項非常有發展前景的技術，近年來聚合物太陽能電池領域的快速進步為這項技術發展注入了堅定的信心。

4　結語

聚合物太陽能電池由于能夠自行設計材料的分子結構、材料可選擇余地大、毒性較小、加工容易、成本較低等特點越來越受到人們的重視。盡管聚合物太陽能電池特有的優勢相當明顯,但目前其能量轉換效率仍然不高，約為10%，這直接制約了其產業化的實現。改善太陽能能量轉換效率的途徑主要有：

（1）改善聚合物太陽能電池的光吸收效率，主要是使用具有近紅外或紅外吸收的聚合物或染料；

（2）改善聚合物太陽能電池光電流的產生，使用具有高流動性的聚合物及高有序相的液晶材料；

（3）使用具有高遷移率的納米材料；

（4）聚合物太陽能電池器件制備過程的優化與穩定性的探索；

（5）對聚合物太陽能電池器件的物理理論和實驗技術進行探索。

參考文獻：

[1]Tang C W.Multilayer organic photovoltaic elements:US, 416443A[P].1979-8-14.

[2]Tang CW.Two-layer organic photovoltaic cell[J].Applied Physics Letters,1986,48(2):183-185.

[3]SariciftciN S,Smilowitz L,Heeger A J,et al.Photoinduced electron transfer from a conducting polymer to buckminsterfullerene[J].Science,1992,258(5087):1474-1476.

[4]Morita S,Zakhidov AA,Yoshino K.Doping effectof Buckminsterfullerene in conducting polymer:change of absorption spectrum and quenchingof luminescence[J].Solid State Communications,1992,82(4):249-252.

[5]SariciftciN S,Smilowitz L,Heeger A J,etal.Semiconducting polymers(asdonors)and buckminsterfullerene(asacceptor):photoinduced electron transfer and heterojunction devices[J].Synthetic Metals,1993,59(3):333-352.

[6]Hiramoto M,Fujiwara H,Yokoyama M.p-i-n like behavior in three-layered organic solar cells having a co-deposited interlayer of pigments[J].Journalof Applied Physics,1992, 72(8):3781-3787.

[7]Yu G,Gao J,Hummelen JC,et al.Polymer photovoltaic cells:enhanced efficiencies via a network of internal donoracceptor heterojunctions[J].Science,1995,270(5243):1 789-1791.

[8]Halls JJM,Walsh CA,Greenham NC,etal.Efficientphotodiodes from interpenetrating polymer networks[J].Nature, 1995,376(6540):498-500.

[9]Wud l F,Srdanov G.Conducting polymer formed of poly (2-methoxy-5-(2’-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene). US,5 189,136[P]1993-2-23.

[10]Padinger F,Rittberger R S,Sariciftci N S.Effects of postproduction treatment on plastic solar cells[J].Advanced FunctionalMaterials,2003,13(1):85-88.

[11]Bao ZN,Dodabalapur A,Lovinger A J.Soluble and processable regioregular poly(3-hexylthiophene)for thin film field-effecttransistorapplicationswith highmobility[J].Applied Physics Letters,1996,69(26):4108-4110.

[12]LiG,Shrotriya V,Huang JSetal.High-efficiency solution processable polymer photovoltaic cells by self-organization of polymer blends[J].Nature Materials,2005,4(11): 864-868.

[13]MaW L,Yang CY,Gong X,etal.Thermally stable,efficient polymer solar cellswith nanoscale controlof the interpenetratingnetworkmorphology[J].Advanced FunctionalMaterials,2005,15(10):1617-1622.

[14]Mühlbacher D,Scharber M,Morana M,et al.High photovoltaic performance ofa low-bandgap polymer[J].Advanced Materials,2006,18(21):2884-2889.

[15]Peet J,Kim JY,Coates NE etal.Efficiency enhancement in low-bandgap polymer solar cells by processing with alkane dithiols[J].NatureMaterials,2007,6(7):497-500.

[16]Blouin N,Michaud A,Leclerc M.A low-bandgap poly (2,7-carbazole)derivative for use in high-performance solar cells[J].Advanced Materials,2007,19(17):2295-2300.

[17]Park SH,Roy A,BeaupréS,etal.Bulk heterojunction solar cellswith internalquantum efficiency approaching 100%[J]. Nature Photonics,2009,3(5):297-302.

[18]Liang Y Y Wu Y,Feng D Q,et al.Development of new semiconducting polymers for high performance solar cells[J]. Journal of the American Chemical Society,2009,131(1): 56-57.

[19]Liang YY,FengDQ,Wu Y,etal.Highly efficientsolar cell polymers developed via fine-tuning of structural and electronic properties[J].Journalof the American Chemical Society,2009,131(22):7792-7 799.

[20]Chen H Y,Hou JH,Zhang SQ,etal.Polymer solar cells with enhanced open-circuitvoltage and efficiency[J].Nature Photonics,2009,3(11):649-653.

[21]Price SC,Stuart A C,Yang LQ,et al.Fluorine substituted conjugated polymerofmedium band gap yields7%efficiency in polymer-fullerene solar cells[J].Journalof the American ChemicalSociety,2011,133(12):4625-4 631.

[22]Zhou H X,Yang LQ,StuartAC,etal.Developmentof fluorinated benzothiadiazole as a structural unit for a polymer solar cell of 7%efficiency.Angewandte Chemie-International,Edition,2011,50(13):2995-2998.

[23]Su M S,Kuo CY,Yuan M C,et al.Improving device efficiency of polymer/fullerene bulk heterojunction solar cells throughenhanced crystallinity and reduced grain boundaries induced by solventadditives[J].Advanced Materials,2011, 23(29):3315-3319.

[24]Yang J,Zhu R,Hong ZR,etal.A robust inter-connecting layer for achieving high performance tandem polymer solar cells[J].Advanced Materials,2011,23(30):3465-3470.

[25]Sun YM,Takacs C J,Cowan SR,etal.Efficient,air-stable bulk heterojunction polymer solar cells using MoOxas the anode interfacial layer[J].Advanced Materials,2011,23(19): 2 226-2 230.

[26]Chu TY,Lu JP,BeaupréS,etal.Bulk heterojunction solar cells using thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione and dithieno [3,2-b:2,3-d]silole copolymerwith a power conversion efficiency of7.3%[J].2011,133(12):4250-4253.

[27]Amb CM,Chen S,Graham K R,etal.Dithienogermole asa fused electron donor in bulk heterojunction solar cells[J]., 2011,133(26):10062-10065.

[28]Cheng Y J,Yang S H,Hsu C S.Synthesis of conjugated polymers fororganic solar cellapplications[J].ChemicalReviews,2009,109(11):5868-5923.

[29]Liang Y Y,Yu L P.Development of semiconducting polymers for solarenergy harvesting[J].Polymer Reviews,2010, 50(4):454-473.

[30]Scharber M C,Mühlbacher D,Koppe M,etal.Design rules for donors in bulk-heterojunction solar cells-towards 10% energy-conversion efficiency[J].Advanced Materials,2006, 18(6):789-794.

[31]Yun JJ,Jung H S,Kim SH,et al.Chlorophyll-layer-inserted poly(3-hexyl-thiophene)solar cell having a high light-to-current conversion efficiency up to 1.48%[J].Applied Physics Letters,2005,87(12):1-3.

[32]Mccullough R D,Tristram-Nagle S,Williams S P,et al. Self-orienting head-to-tail poly(3-alkylthiophenes).New insights on structure-property relationships in conducting polymers[J].Journal of the American Chemical Society, 1993,115(11):4910-4911.

[33]Yu W L,Meng H,Pei J,et al.Tuning redox behavior and emissivewavelength of conjugated polymers by p-n diblock structures[J].Journal of the American Chemical Society, 1998,120(45):11808-11809.

[34]Zhou Q M,Hou Q,Zheng L P,et al.Fluorene-based low band-gap copolymers for high performance photovoltaic devices[J].Applied Physics Letters,2004,84(10):1653-1655.

[35]Gadisa A,Mammo.W,Andersson L M,et al.A new donor-acceptor-donor polyfluorene copolymer with balanced electron and holemobility[J].Advanced Functional Materials,2007,17(18):3836-3842.

[36]Vandewal K,Tvingstedt K,Gadisa A,et al.On the origin of the open-circuit voltage of polymer-fullerene solar cells[J]. NatureMaterials,2009,8(11):904-909.

[37]Liang Y Y,Yu LP.A new classofsemiconducting polymers for bulk heterojunction solar cells with exceptionally high performance.Accounts of Chem ical Research,2010,43(9): 1227-1236.

[38]Havinga EE,HoeveW T,Wynberg H.A lternate donor-acceptorsmall-bandgapsemiconductingpolymers: polysquaraines and polycroconaines[J].Synthetic Metals, 1993,55(1):299-306.

[39]Zhang Q T,Tour JM.Low optical bandgap polythiophenes by an alternating donor/acceptor repeat unit strategy[J]. Journal of the American Chemical Society,1997,119(21): 5065-5066.

[40]Huang F,Chen K S,Yip H L,et al.Development of new conjugated polymers with donorπ-bridge-acceptor side chains for high performance solar cells[J].Journal of the American ChemicalSociety,2009,131(39):13886-13887.

[41]Chen H Y,Hou JH,Hayden AE,etal.Silicon atom substitution enhances interchain packing in a thiophene-based polymer system[J].Advanced Materials,2010,22(3): 371-375.

[42]Zhang Y,Zou JY,Yip H L,et al.Indacenodithiophene and quinoxaline-based conjugated polymers for highly efficient polymer solar cells[J].Chem istry ofMaterials,2011,23(9):2 289-2291.

[43]He F,WangW,ChenW,etal.Tetrathienoanthracene-based copolymers forefficientsolar cells[J].Journalof the American Chem icalSociety,2011,133(10):3284-3287.

[44]Chen D,Liu F,Wang C,et al.Bulk heterojunction photovoltaic active layers via bilayer interdiffusion[J].Nano Letters,2011,11(5):2071-2078.

[45]Piliego C,Holcombe TW,Douglas JD,etal.Synthetic control of structural order in N-alkylthieno[3,4-c]pyrrole-4, 6-dione-based polymers for efficientsolar cells[J].Journalof theAmerican ChemicalSociety,2010,132(22):7595-7597.

[46]LenesM,Wetzelaer G JA H,Kooistra FB,etal.Fullerene bisadducts for enhanced open-circuit voltages and efficiencies in polymer solar cells[J].Advanced Materials,2008,20 (11):2 116-2119.

[47]Laird DW,Stegarmat R,Ricter H,et al.Organic photovoltaic devices comparising fullerenesand derivatives thereof:US12/40776[P].2008-2-29.

[48]Ross R B,Cardona C M.Guldi D M.et al.Endohedral fullerenes fororganic photovoltaic devices[J].NatureMaterials,2009,8(3):208-212.

[49]He Y J,Chen H Y,Hou JH,etal.Indene-C60bisadduct:a new acceptor for high-performance polymer solar cells[J]. Journal of the American Chemical Society,2010,132(4): 1377-1382.

[50]Zhao G J,He Y J,Li Y F.6.5%efficiency of polymer solar cells based on poly(3-hexylthiophene)and indene-C60bisadduct by device optimization[J].Advanced Materials, 2010,22(39):4355-4358.

[51]King R R,Law D C,Edmondson K M,et al.40%efficient metamorphic GaInP/GaInAs/Gemultijunction solar cells[J]. App lied Physics Letters,2007,90(18):183516.

[52]Gilot J,Wienk M M,Janssen R A.J.Double and triple junction polymer solar cells processed from solution[J].Applied Physics Letters,2007,90(14):143512.

[53]Kim JY,Lee K H,Coates N E,etal.Efficient tandem poly-mer solar cells fabricated by all-solution processing[J].Science,2007,317(5835):222-225.

[54]Sista S,Park M,Hong Z,etal.Highly efficienttandem polymer photovoltaic cells[J].Advanced Materials,2010,22(3): 380-383.

中圖分類號TM 914.4

收稿日期：2015年1月

第一作者簡介：高飛男1982年生碩士實驗師主要從事聚合物的教學和研究工作

Research Progress of Polymer Solar Cells

Gao Fei Tong Yu Tang Ning Zhao Yu Zhang Lingli

Abstract:Illustrates the differences between polymer solar cells and traditional inorganic solar cells,and points out the advantages of polymer solar cells.Introduces the working principle,device configuration,photoelectric effect process and materials development of polymer solar cells.Analyzes the currentmain factors that restrict the improvement of cells efficiencies and stabilities,puts forward ways of improving the efficiencies,and forecasts the development direction of polymer solar cells.

Key words:Polymer solar cells;Working princip le;Device configuration;Cell efficiency