非富勒烯有機太陽能電池研究現狀

長春理工大學理學院 韓 杰

0 引言

隨著社會經濟和科技的高速發展，化石燃料作為人類賴以生存的基本能源逐漸被風能、核能、地熱能、潮汐能和太陽能等清潔能源替代。其中，太陽能受益于太陽光輻射，具有取之不盡、用之不竭，儲量大且覆蓋面積廣的優點，成為世界各國大力發展的方向。由于傳統的太陽能電池大多采用單晶硅、多晶硅和非晶硅等材料制備，存在高能耗、高污染、工藝復雜且原料成本高等缺點，限制了太陽能電池的推廣和普及。九十年代有機太陽能電池（organic solar cells,OSCs）的出現為這些問題的解決帶來了新的希望。而非富勒烯有機太陽能電池作為其中的分支，由于其相較于富勒烯具有一些特有的優勢，成為近年來該領域大力發展的科技前沿，其光電轉換效率也由最初的不到1%提高到了10%以上[1-4]。

1 有機太陽能電池結構

1.1 有機太陽能電池的活性層結構

早期的有機太陽能電池活性層是從染料開始的。1958年，Kearns 和 Calvin[5]采用兩個不同功函數的金屬作為電極，以鎂酞菁（MgPc）作為活性層，測出其器件的電壓為 200 mV。這種在功函數不同的兩個金屬電極之間夾置單個有機層的太陽能電池結構被稱為肖特基勢壘（Schottky-barrier）型結構，如圖1(a)所示。

為解決肖特基勢壘結構由于激子擴散距離短、分離效率低的問題。1986，Kodak 公司的鄧青云博士首次采用異質結結構 ITO/酞菁銅(CuPc)/二萘嵌四羧基衍生物(PV)/Ag 來制備有機半導體太陽能電池，并得到光電轉換效率為 1%的器件[6]。自此開始大量采用有機雙層平面異質結太陽能電池，如圖1(b)所示。

圖1 典型的有機太陽能電池活性層結構

體異質結（bulk heterojunction,BHJ）有機太陽能電池的出現帶來新的研究熱潮，如圖1(c)所示。這是由于體異質結的活性層是通過在有機溶劑中混合充當電子給體和電子受體兩類有機材料，經旋涂工藝得到。共混膜結構的形成大大增加了給-受體的接觸面積，解決了雙層異質結接觸面積不足的缺點，極大地提升了激子的解離效率。

1.2 有機太陽能電池器件結構

體異質結有機太陽能電池主要有兩種類型。第一類為正置器件結構，如圖2(a)所示。在這類電池器件中，每層薄膜都沉積或旋涂在以半透明的氧化銦錫(ITO)或柔性聚酯薄膜為電極的基底上，從下到上的薄膜層分別是空穴傳輸層，如聚(3,4-亞乙二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸) (PEDPT:PSS)；共混的光敏層；電子傳輸層，如LiF；和金屬陰極，如Al。第二類為倒置器件結構，如圖2(b)所示。這類器件同樣每層薄膜都沉積或旋涂在以半透明的氧化銦錫(ITO)或柔性聚酯薄膜為電極的基底上，從下到上的薄膜層分別是電子傳輸層，如ZnO；共混的光敏層；空穴傳輸層，如MoO3；和金屬陽極，如Al。這兩種結構解決了光敏層中給受體分子垂直相分離行為引起的器件效率低的問題。

圖2 典型的有機太陽能電池器件結構

2 非富勒烯有機太陽能電池

以富勒烯及其衍生物作為受體材料的給體/受體共混的體異質結(BHJ)有機太陽能電池已經獲得了長足的發展。但是目前常用的富勒烯材料(如PC61BM)主要吸收太陽光的紫外部分，很難和給體材料的吸收光譜互補；即使是富勒烯的衍生物PC71BM能夠較好的吸收可見光區的400nm～700nm的光譜，但是其在溶劑中較差的溶解性依然限制了其加工條件。此外，較低的LUMO能級導致以富勒烯及其衍生物作為受體材料的有機太陽能電池體系的器件開路電壓相對較低，高昂的材料成本也極大的限制了此體系的商業化進程。為解決這些問題，更好的提高有機太陽能電池的能量轉換效率，非富勒烯受體被研究者廣泛關注，并取得卓越進展。

2.1 非富勒烯有機太陽能電池的優勢

非富勒烯有機太陽能電池除了具有有機太陽能電池的普遍性質：柔韌性好、質量輕、材料來源廣泛（可實現化學改性）、制備工藝簡單（溶液可加工性）和容易實現大面積加工（刮涂、絲網印刷、噴墨打印等）等優點外，還具有以下特有的優點：

（1）非富勒烯分子受體結構差異性大，可選擇性多；

（2）光吸收范圍可調，可見光區具有高的摩爾吸收系數；

（3）載流子遷移率較高；

（4）能級可根據給體需求進行調控；

（5）穩定性好，共混體系中受熱情況下不宜發生大尺寸相分離。

2.2 非富勒烯有機太陽能電池的發展現狀

非富勒烯有機太陽能電池一般界定為聚合物給體/非富勒烯小分子受體和小分子給體/非富勒烯小分子受體兩個方向。目前隨著給受體材料種類的拓展和匹配體系的增多與優化，兩大方向的非富勒烯有機太陽能電池器件的光電轉換效率均得到了大幅度提升。尤其是近兩年來，隨著ITIC和PBDB-T等分子的出現，使得大量研究人員將視線聚集到非富勒烯有機太陽能電池之上，取得了顯著成果。

對于聚合物給體/非富勒烯小分子受體體系來說，最具有代表性的即為PBDB-T/ITIC體系。2016年，侯劍輝[3]課題組將合成的PBDB-T材料與非富勒烯小分子受體ITIC作為有機太陽能電池共混活性層，實現了當時非富勒烯有機太陽能電池的最高性能，達到11%以上。2017年，侯劍輝[4]課題組又利用PBDB-T和ITCC-M等材料，通過疊層器件結構將有機太陽能電池的器件性能提高到了13.8%的高度。另外，對于目前已經取得工業價值的聚合物給體分子P3HT，Sarah Holliday等人[7]通過將P3HT與非富勒烯小分子受體O-IDTBR混合作為活性層，實現了6.4%的性能，并且此器件的穩定性很高，為進一步工業化墊定了基礎。

全小分子非富勒烯體系有機太陽能電池同樣在近兩年取得了巨大成果。2017年，侯劍輝[8]課題組將合成的DRTB-T小分子給體與受體IDIC共混，得到了9.08%的器件性能。之后，李永舫[9]課題組利用合成的材料H11將全小分子非富勒烯體系有機太陽能電池的性能進一步刷新到9.73%。目前的最高性能是由李永舫[10]課題組實現的，為10.11%。

3 展望

非富勒烯有機太陽能電池的能量轉換效率已經突飛猛進，超過了富勒烯體系有機太陽能電池，其提升的根源在于材料的合成、形貌的優化以及器件結構的設計。然而目前主要的提升方式依舊在于新材料的合成和材料修飾過程，對于形貌優化的機理研究并不成熟，對于器件結構的改進進展緩慢。未來隨著研究的進一步深入，相信最佳化的有機太陽能電池器件性能必將突破20%，同時器件的穩定性也將滿足其商品化要求。

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