富勒烯与非富勒烯受体材料

对于有机太阳能电池来说，低效的受体材料长期以来一直制约其快速发展，近些年来，经过科研工作者们不懈的努力，逐渐开发出一系列具有优异性能的受体材料，图1是推动有机太阳能电池突破性发展的几类受体材料结构图：

图1. 几类受体材料化学结构图

由于富勒烯及其衍生物具有很好的电子亲和性、高的电子迁移率、电荷各向同性传输、易于与给体材料形成微观纳米相分离尺寸等优点，逐渐成为有机太阳能电池中主要的电子受体材料。富勒烯受体材料的开发与应用，使有机太阳能电池进入快速发展阶段。2005年YANG YANG 等人制备的以富勒烯为受体的电池器件光电转换效率接近于 5%，之后富勒烯及其衍生物长期作为有机太阳能电池受体材料的主角。随着有机太阳能电池的不断发展，富勒烯及其衍生物作为受体材料的缺点越来越明显，吸收光谱范围较窄（可见光区域几乎无吸收）、摩尔消光系数小、不易制备纯化、价格相对较贵等原因，严重限制了富勒烯及其衍生物作为电子受体材料的更广泛的应用和器件效率的进一步提高。人们开始把焦点汇聚到非富勒烯受体材料上，2015年，占肖卫等人设计合成一类稠环类的受体分子ITIC，其光电转换效率高达7.52%；2017年，颜河教授等人设计合成了一类基于苝酰亚胺的受体材料 FTTB-PDI4，获得了10.58%的高效率。随着非富勒烯受体材料的不断开发，非富勒烯有机太阳能电池也得到迅猛的发展。

PDI受体材料

在众多非富勒烯受体材料中，苝酰亚胺（PDI）是研究最早和最有潜力替代富勒烯受体材料的一类材料，PDI类化合物具有较强的吸收、较低的LUMO能级以及较高的电子迁移率，多个活性位点可修饰，高的摩尔消光系数，并且与窄带隙的聚合物有很好的光谱匹配等等。例如，2007年，占肖卫等报道了基于PDI的共轭聚合物P1，该聚合物具有很宽的吸收，其吸收边缘达到850nm，较窄的带隙1.7e V，并且具有很高的电子迁移率。基于P1与一种给体聚合物PBDTTT-C-T所制得的电池的 PCE达到了1.03%，经添加剂优化可使PCE提高到3.45%。随后该组研究人员又选择不同给体单元合成了基于PDI的共轭聚合物P2和P3，相比起P1，P2和P3的PCE有所提高，达到1.48%。紧接着周二军等人又寻找了新的给体单元合成了基于 PDI的聚合物P4、P5和P6，这些聚合物的PCE突破了2%。在2014年，鲍哲南等又合成了基于PDI的聚合物P7，把电池效率提高到了3.48%随后又通过给体材料的优化把电池效率进一步提高到4.4%。到2015年，Jenekhe等人设计合成了一类基于PDI的三元共轭聚合物，在调控不同单元比例后，得到电池效率高达6.3%的聚合物 P8。随后，颜河教授等人设计了一种基于PDI的与乙烯桥共聚的受体材料P9，再一次刷新了电池效率记录，其PCE达到了 7.57%。P1-P9的化学结构示意图如下图2所示：

图2. 聚合物P1-P9化学结构示意图

基于 PDI 的扭曲结构受体