聚合物太阳能电池光伏材料研究综述

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1、聚合物太阳能电池光伏材料研究进展陈畅100112班10011043（北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京，100080）摘要：本文对电子给体与电子受体两大类聚合物光伏材料进行了详细的描述,并阐述了进一步发展的研究重点、发展趋势及前景。1绪论太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，近年来随着世界各国对能源和环境问题的重视，将太阳能转换成电能的太阳能电池成为各国科学界研究的热点和产业界开发的重点。目前研究和开发的太阳能电池有单晶硅、多晶硅、无定型硅、CdTe和CuInSe2薄膜、TiO2有机染料敏化和有机聚合物太阳能电池等。前几种无机太阳能电池已实现了商品化，其能量转换效率为10%~18％左

2、右，但其缺点为价格高、原材料和制备过程耗能高、较重，这大大限制了它们的推广应用[1]。近年兴起的有机聚合物薄膜太阳能电池具有成本低、重量轻、制作工艺简单、可制备成柔性器件等突出优点，尤其是薄、轻、柔是无机半导体太阳能电池不可替代的优点；另外有机聚合物材料种类繁多、可设计性强，比如可根据需要进行化学修饰,并表现出高的开路电压(>2V)等[2]，所以人们期望研发更多种类的有机聚合物材料作为太阳能电池材料，以便提高太阳能电池的性能。自从1992年HeegerA.J.[3]研究小组发现了从共轭聚合物存在着向富勒烯的光诱导电子转移和YoshinoK.[4]研究小组20世纪90年代建立本体异质结构型以

3、来,聚合物太阳能电池的研究获得了长足的进展,效率达到了5%～7%,具有了极大的市场发展潜力,因此，未来的研究重点之一必将转向为开发新型的聚合物太阳电池材料。本文综述了近年来有机聚合物太阳电池材料重要的发展和应用前景[5]。2聚合物太阳能电池光伏材料【6-10】聚合物太阳能电池的关键材料分为给体和受体光伏材料。下图给出了用于聚合物太阳能电池的给体和受体光伏材料的类型，其中最重要的是p-型共轭聚合物给体材料和可溶性富勒烯衍生物受体材料。在给体材料中，除了共轭聚合物之外，可溶液加工共轭有机分子给体光伏材料近年来也受到重视，这主要是考虑到其具有高的纯度、确定的分子量和光伏性能可重复性好等优点。在受

4、体材料中，除了PCBM等富勒烯衍生物之外，n-型共轭聚合物和n-型无机半导体纳米晶体（简称“纳晶”）也可以用作聚合物太阳能电池的受体材料。使用n-型共轭聚合物为受体与p-型共轭聚合物共混制备的太阳能电池又被称为“全聚合物太阳能电池”，因为其给体和受体都是聚合物材料，这也是真正意义上的聚合物太阳能电池。使用n-型半导体纳晶为受体与p-型共轭聚合物共混制备的太阳能电池又被称为“聚合物/半导体纳晶杂化太阳能电池”，这类太阳能电池由于把无机半导体与有机半导体光伏材料复合在一起，将来有希望把二者的优点结合起来，因而近年来受到研究者的重视。聚合物太阳能电池光伏材料包括给体材料和受体材料，当前研究得比较

5、多的可以分为以下6类：图用于聚合物太阳能电池的给体和受体太阳电池材料的类型【7】2.1P-型共轭聚合物给体光伏材料P-型共轭聚合物是聚合物太阳能电池中最重要和最核心的给体光伏材料。对这类材料的兴趣最早是20世纪70年代从导电聚合物的发现[11]和研究开始的。自从1990年Friend等发现PPV的电致发光现象和聚合物发光二极管[12]以来，对共轭聚合物的研究兴趣逐渐转移到了本征态共轭聚合物的半导体光电子性质上。对于共轭聚合物给体光伏材料，2003年之前最具代表性的是烷氧基取代PPV，这主要是受当时电致发光聚合物的影响，因为这两种PPV衍生物是最具代表性和研究得最多的发光聚合物。但由于这两种

6、烷氧基取得PPV膜的吸收边不到600nm，太阳光的利用率低，报道的能量转换效率最高只有2.5%[13]。所以从2004年Brabec等使用P3HT为给体、使聚合物太阳能电池的能量转换效率提高到3.85％[6]之后，P3HT成为了最具代表性的聚合物给体光伏材料。2.2可溶液加工p-型共轭有机分子给体光伏材料共轭聚合物具有可溶液加工和成膜性好等优点，但也存在提纯困难、分子量分布宽等问题。而具有类似半导体性能的有机分子分子量确定、易纯化，但一般情况下溶解性能差，制备光电子器件时需要真空蒸镀成膜。近年来发展起来的可溶液加工有机分子光伏材料，结合了聚合物的可溶液加工性和小分子的高纯度的优点，引起了研

7、究工作者的关注。已研究的用于有机光伏电池的可溶液加工有机分子给体光伏材料主要包括星形或枝化噻吩齐聚物[14-16]等。当前，这些可溶液加工有机分子给体光伏材料、与PC70BM受体共混制备的光伏器件最高能量转换效率较高，显示了光明的前景。2.3富勒烯衍生物受体光伏材料【17】富勒烯衍生物受体光伏材料对聚合物太阳能电池的发展起到了关键的作用。它的优点是具有较强的接受电子能力、较高的电子迁移率、较好的溶解度、与大部分聚合物给体