1）概述

上世纪80年代以来，传统能源日益枯竭，人类开始探索各种新型能源。太阳能作为最丰富的可再生能源，具有清洁高效、普遍易得等优点。目前利用太阳能的方式主要有光化学转化、光热转化和光电转化三种，其中太阳能光电转化是指通过太阳能电池直接将太阳能转化成电能的技术，被认为是太阳能利用最为高效便捷的方式。^[1]尽管商业化的无机硅光伏电池具有较高的光电转换效率^[2]，但其高成本、高能耗且工艺复杂等缺点限制了太阳能电池的推广和普及^[3]。而有机太阳能电池（organicsolar cells，OSCs）具有成本低、质地轻、易于加工及可制成柔性器件等优点，具有可观的发展潜能和应用前景，已成为太阳能电池领域的研究热点之一。

1986年，Tang^[4]初次报道了异质结型的有机太阳能电池，同时引入电子给体（p型）/电子受体（n型）有机双层异质结的概念。异质结是指不同半导体材料间两种不同层次或区域之间形成的二维界面，由有机太阳能电池材料形成的异质结即为异质结型有机太阳能电池^[5]。异质结型有机太阳能电池分为p-n异质结、混合异质结、体异质结和级联结构有机太阳能电池。其中体异质结（bulkheterojunction，BHJ）是指电子给受体材料在适当的溶剂中进行充分混合，并通过旋涂等方式形成活性层。电极材料一般选择氧化铟锡（indiumtin oxide，ITO）和低功函数的金属。在体异质结太阳能电池中，给体和受体形成互穿网状结构，光生激子解离的电子和空穴分别传输到阳极和阴极。这种共混方式大大提高了给体和受体的接触面积，提升了载流子迁移率^[6]。体异质结有机太阳能电池主要有两种类型，第一类为正置器件结构，一般为 ITO/PEDOT:PSS/给体材料:受体材料（ActiveLayer，AL）/LiF/Al，第二类则是倒置器件结构，一般为ITO/ZnO/AL/MoO₃/Ag^[7]。

在光照条件下，OSCs的工作机理包括以下几个过程^[8]：

1、激子形成：聚合物半导体的最高电子占据轨道（highestoccupied molecular orbital，HOMO）中的电子吸收能量足够大的光子跃迁至最低电子空轨道（lowestvacant electron orbital，LUMO），形成光生激子；

2、激子扩散：激子在复合之前扩散至给-受体材料界面；

3、激子分离：激子在给体和受体材料的LUMO能级差提供的驱动力作用下分离成自由电子和空穴；

4、电荷传输：电子和空穴分别向沿着各自路径向两电极传递并被电极收集。

体异质结有机太阳能电池的关键部分是活性层，它是通过电子给体和电子受体两类有机材料在适当的有机溶剂中充分混合，经过旋涂、刮涂等成膜工艺得到的。共混膜结构的形成大大增加了给-受体的接触面积，极大地提升了激子的解离效率^[9]，从而器件的光电转换效率（powerconversion efficiency，PCE）也得到了极大的增长，这使体异质结有机太阳能电池受到了更多的关注。

共混膜中，给体材料的作用是吸收太阳光子并跃迁至激发态产生电子空穴对，一般是选用共轭聚合物，其中聚噻吩类物质具有很好的性能，如聚3-烷基噻吩（P3AT）、聚3-己基噻吩（P3HT）、聚3-辛基噻吩（P3OT）、聚3-十二烷基噻吩（P3DDT）、聚3-十二烷基噻吩亚乙烯（PDDTV）等被广泛用作电子给体材料。其中，P3HT凭借其合成步骤简单，价格低廉，聚合度易控等特点，被认为是最好的电子给体材料之一^[10]。最典型的受体材料为富勒烯及其衍生物，富勒烯属于缺电子烯，具有三维共轭的电子结构、良好的电子亲和力和电子传输性能。在过去十年里，基于富勒烯及其衍生物的常规有机太阳能电池取得了巨大的成功，其光电转换效率达到10％以上^[11]。[6,6] -苯基-C₇₁-丁酸甲酯（PC₇₁BM）因其电子传输性能好、光谱吸收强、重组能低、溶解度高、能级匹配性好等特点，是目前有机太阳能电池中常用的受体材料^[12]。