1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一、引言

随着社会的发展，人们对能源的需求量越来越大。能源和环境问题是当前人类面临的两个最紧迫需要解决的问题，低碳经济成为当今最热门的话题。目前人类所使用的能源大都直接或间接来自于太阳能。由于太阳能电池直接吸收光将太阳能转换成电能，对环境污染小，取之不尽、用之不竭备受人们的青睐^{［1 －2］}。因此随着远古时代生成的煤、石油、天然气等能源的日益枯竭，太阳能将是未来最有希望的能源之一^{[ 3]}。太阳能转换的形式多种多样，但基本的一点是通过光敏材料将太阳能转化为化学能和电能，其中将太阳能直接转变为电能被认为是最符合现代技术发展的方法之一。有机太阳电池由于潜在的高效率、低成本的制造工艺以及柔性器件等独特的性能，尤其是薄、轻、柔是无机半导体太阳电池不可替代的优点，最近备受行业内和学术界关注 ，已成为当今新材料和新能源领域最富活力和生机的研究前沿之一^[4-5]。

二、太阳能电池发展历程

纵观太阳能电池的发展，时间并不长。从最早的光伏效应的发现开始算起，至今也只有二百多年。1839 年法国科学家Becquerel^[6]发现，用光照射水溶液中表面涂有AgCl或AgBr薄膜的金属铂电极时，会产生电流。1873 年Smith^[7-8]报道了固体硒中的光导效应。1941年现代太阳能电池之父 Ohl首次报道了将液化的高纯硅结晶后，在其内部会形成明显的势垒，从而产生很高的光电压响应^[9]，标志着太阳能电池研究新纪元的开始。太阳能电池真正的出现是在1954年，美国的贝尔研究所成功地研制出能应用的晶体硅太阳能电池，其光电转化效率高达6%，成为了太阳能电池商业化研究开始的标志^[10]。随后经过了多次研究和改良，制造出了我们目前所使用的硅太阳能电池的原始模型。当前半导体硅基太阳电池已实现商业化，硅晶系列太阳能电池的总能量转换效率已达20% 以上。但是由于其制作复杂、价格比较昂贵，并且制备过程本身消耗大量能量限制了其大规模应用。因此人们开始寻找新型的太阳能电池材料，早在1906年和1913年Pochettino^[11]和Volmer分别报道了有机固态蒽晶体的光导效应，成为有机太阳能电池研究的标志性开端，并为以后的发展奠定了基础。2 0世纪7 0年代起人们开始探索具有共轭结构的有机化合物或金属配合物太阳能电池材料。

三、有机太阳能电池结构及基本原理

太阳能电池，就是利用材料与阳光的相互作用，获得电能的器件。根据器件结构和活性层的组成不同可大致分为肖特基型单层电池、双层异质结电池、本体混合异质结电池和叠层电池四类。图1为典型有机太阳电池器件结构图^[12]。

当阳光照射到太阳能电池表面时，由于减反射膜的存在，所以大多数光被吸收，少部分光反射出去。被吸收的光子能量转移到太阳能电池材料的原子上，导致电子产生跃迁，成为自由电子。在p-n结两侧，自由电子之间形成电位差，所以一旦与外界形成通路后，由于电位差的存在就会产生电流。从整体上看，其实就是光能转变为电能的过程。由于太阳能电池所选用的材料不同，所以产生的电流过程也会有所差异^[13]。以本体异质结为例，对有机太阳电池的工作原理展开论述^[14]，如图2所示。当光透过电极照射，活性层中的共轭聚合物给体吸收光子(hv)产生激子；激子迁移到给/受体界面并分离成载流子(电子和空穴)；分离的电子移动到受体最低未占据分子轨道(LUMO)能级上，空穴停留在聚合物给体的最高已占分子轨道(HOMO)能级上；然后在电池内部势场的作用下，电子经过电子受体层传输到阴极，空穴经过电子给体层传输到对应的阳极，产生光电流^[14-15]。

图1 典型有机太阳电池器件结构图^[12]

图2 本体异质结太阳电池的工作原理^[14]

四、有机太阳能电池材料分类

1.聚合物给体材料

有机聚合物太阳能电池具有环保、柔性、可大面积制造和成本效益高等特点，被认为是未来的能源来源^[16]。与无机太阳电池相比，有机聚合物太阳电池具有材料轻盈、成本效益高、化合物结构可设计、柔性好和便于大面积制造等优点。迄今为止，有机聚合物太阳能电池的能量转换效率已突破10% ^[17]。但其能量转换效率相对于硅基太阳电池还有较大差距，离大规模应用还有相当距离。聚对苯乙烯撑及其衍生物类共轭聚合物是被广泛应用于光伏器件的材料，通常作为给体。代表性材料是MEH－PPV，具有良好的溶解性，禁带宽度适中等优点。聚芴类共轭聚合物由于具有良好的稳定性和较光吸收强度而引起人们的广泛兴趣 ^[18]。与 PPV 相比，由于聚芴中含有刚性平面结构的联苯，所以往往表现出好的光稳定性和热稳定性，特别是在光伏器件领域，聚芴更是近几年来研究的热点^[19]。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和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。过渡金属配合物是一类新型的光电材料化合物，它可以兼有过渡金属离子的变价特性和有机分子结构的多样性，这类化合物的特点是过渡金属离子被有机配体所环绕，有机配体易于进行分子设计和分子裁剪，而过渡金属离子的d轨道或f道上具有未成对电子，能形成特有的光电性质。目前用做太阳电池材料的金属配合物主要有菁类化合物和具有共轭结构的联吡啶过渡金属配合物^[20]。

2.有机小分子给体材料

与聚合物相比，小分子材料有着明确的分子结构和确定的分子量，提纯相对容易。并且，随着研究的不断深入，小分子材料难加工、多数只能采用蒸镀方法制备器件的缺陷已得到很大克服。近年来，一些可溶液加工的共轭小分子材料逐渐被开发出来，它们指引了有机光伏材料发展的一个新方向。目前，共轭小分子给体材料的研究尚不如对聚合物的研究深入，高效率的材料相对较少见于报道，超过3%效率的溶液可加工材料更是屈指可数。目前报道的共轭小分子给体据其主要构筑单元的不同可大致分为四类：含噻吩的共轭小分子、含三苯胺的共轭小分子、含并吡咯酮的共轭小分子和含芳环或芳稠环的共轭小分子^[21-22]。其中，含三苯胺的共轭小分子和含并吡咯酮的共轭小分子这两大类中均有个别分子展现出了可与聚合物给体相媲美的光伏性能，分别达到超过4%的光电转换效率，对进一步的研究很有指导意义。

3.富勒烯类受体材料

上世纪九十年代初，Sariciftci及其研究小组^[23]发现了共轭聚合物和富勒烯（C₆₀）的混合物受光激发作用会产生迅速、高效的光诱导电子转移。从此，富勒烯材料受到聚合物太阳能电池研究人员的极大重视，迎来发展高潮。各式各样的采用富勒烯作为受体的有机太阳能电池涌现出来，并表现出很大的优势。PC61BM、PC71BM就是该时期的产物。Cao等^[24]使用PC71BM作为受体制备聚合物太阳能电池，其器件的PCE达到了9.2%。

4.非富勒烯类受体材料

在过去的几年中，有机光伏的研究取得了突破性的进展，使用低带隙给体材料与富勒烯类小分子受体材料的器件光电转化效率提升到了11%以上。然而作为受体材料的富勒烯类分子因为在光照下容易形成二聚体，导致器件效率迅速衰减，成为有机光伏器件稳定性差的主要原因之一。同时，因为富勒烯类分子的光吸收效率极低以及能级可调型差而成为限制光伏器件效率提升的障碍^[25]。因此，研究非富勒烯受体材料取代富勒烯类材料至关重要。首先，非富勒烯材料具有制作工艺简单、成本低廉、能级可调控、溶解性好等优点。另外在吸收太阳光方面，这类材料具有更高的光吸收率^[26]。因此非富勒烯受体吸引了人们越来越多的关注。

五、前景展望

近些年，世界各国在有机太阳能电池的研究方面都予以了极大支持，因而其得到了迅猛的发展。2010年初，国际上报道的有机太阳能电池的最高光电转化效率为7.4%^[27] ，但是仅短短1年多的时间，到2011年4月份这一数值已经提升至9.2%^[28]，近几年已经超过10%，但与成熟的无机太阳能电池相比，其转换效率还比较低。因此目前的太阳能电池市场中，都是以无机晶体占据主导性地位但这种太阳能电池的制作成本高、工艺手段复杂，使得太阳能电池难以迅速普及。而对于有机太阳能电池的制作成本低，工艺较为简单，因此，有机太阳能电池逐渐成为太阳能发展能否普及的重要影响因素。^[29]

要使太阳能发电得到大规模应用，就必须降低成本。有机半导体材料是最为廉价和最有发展潜力的太阳能电池材料，其优势表现为：一方面，由于有机材料合成成本低，功能和结构易于调制，柔韧性及成膜性都较好；另一方面，由于有机太阳能电池加工过程相对简单，可低温操作，器件制作成本也随之降低。除此之外，有机太阳能电池的潜在优势还包括：可实现大面积制造、可使用柔性衬底、环境友好、轻便易携等，有望应用在手表、便携式计算器、玩具、柔性可卷曲系统等体系中为其提供电能^[30]。但可以预测，效率高、成本低、工艺简单的有机太阳能电池，在将来必然会商业化和普及。

参考文献

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(密保秀, 高志强, 邓先宇, 黄维, 中国科学 B 辑: 化学,2008, 38, 957.)

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、合成基于DPP的有机小分子材料中间体，合成金属Ir配合物中间体。

二、测试表征有机小分子材料的性质：

1、了解基于DPP的有机小分子和配合物材料的合成原理和方法

2、掌握一般有机合成的试验方法和后处理方法

3、掌握有机太阳能电池材料基本性质的表征及数据处理