1. 概述

随着社会进步和科技发展，人类赖以生存的化石能源逐渐被风能、核能、地热能、潮汐能和太阳能等清洁能源取代。其中，太阳能具有取之不尽、用之不竭，储量大且覆盖面积广等优点，故而成为新能源开发利用的重点。由于传统的太阳能电池大多采用单晶硅、多晶硅和非晶硅等材料制备，存在高成本、高能耗、高污染且工艺复杂等缺点^[1]，限制了太阳能电池的推广和普及。而有机太阳能电池（organic solar cells, OSCs）具有成本低、质地轻、柔韧性好、制备工艺简单等特点，从而逐渐成为太阳能电池领域的研究热点之一。

1986年，Tang^[2]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^[3]。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（bulk heterojunction, BHJ）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（Active Layer）/LiF/Al。第二类则是倒置器件结构,一般为ITO/ZnO/给体材料:受体材料（Active Layer）/MoO₃/Ag^[4]。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^[5]，从而器件的光电转换效率(power conversion 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，给体材料的选择面较广，比如具有共轭结构的多聚物、有机小分子等。其中，以聚对苯撑乙烯(PPV)、苯并噻吩（BBT）、苯并噻二唑(BTH)等给体材料的研究最为广泛。最典型的受体材料为富勒烯及其衍生物^[6,7]，同时，苝二酰亚胺（perylenediimide，PDI）衍生物等非富勒烯受体材料也得到了深入的研究^[3]。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^[8]。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。然而，富勒烯作为受体材料有几个缺点，包括在可见光区吸光度低，生产和净化过程成本高，相对较大的电压损失（V_loss）和形态的不稳定性等^[9]。这些问题对于有机太阳能电池的发展是一个重要的限制因素。

PDI及其衍生物是一类重要的光电活性材料，具有较大的共轭结构，较高的电子迁移率和电子亲和势，是良好的电子受体。与富勒烯类材料相比，它可由相对便宜的原料通过简单的合成方法合成。此外，其结构有多个修饰位点，易于官能化，因此被认为是目前极具发展前景的富勒烯类材料的替代品，已经引起了研究者们的广泛关注^[10]。因为具有明显可调的可见光吸收峰，强烈的自组装和低洼边界分子轨道等特点，它们非常适合作为光电器件中的电子传输材料^[11]。目前已成功应用于各种各样的领域，如有机太阳能电池、有机场效应晶体管、荧光探针、化学物质传感器等^[12]。利用不同的官能团和合成方法来组装不同结构的分子，了解它们的光电特性，争取满足应用需求的条件，这样才能充分发挥PDI及其衍生物的潜力^[13-15]。因此PDI及其衍生物成为近年来备受关注的体异质结型有机太阳能电池受体材料。

2. 课题目的及意义

PDI及其衍生物是很好的n型有机半导体材料,具有较高的电子迁移率、优良的吸光特性、较宽的光谱响应范围、良好的空气稳定性、可调节的能级以及可媲美富勒烯的电子亲和能等优势,因此被广泛应用于有机太阳能电池的制造。尽管近年来基于PDI的有机太阳能电池已经取得了显着的成功，但这种受体仍然有一些缺点。传统的PDI分子存在严重的自聚集现象，可归因于其分子的刚性平面结构。在这种情况下，强的聚集将造成大面积的区域结晶，这可能导致严重的相分离。众所周知，较大的相分离对于器件性能是不利的，因为它不利于激子的扩散和解离,造成较低的器件效率^[16]。因此在保持PDI类受体的电荷传输性能的同时抑制分子的聚集是十分重要的。

此课题拟以PDI2为受体材料制备有机太阳能器件，以提高器件效率为目的,优化活性层形貌、减弱分子间的聚集。一旦克服活性层薄膜中受体分子的聚集现象，就意味着PDI类材料在有机太阳能电池领域的应用取得了极大突破。根据体异质结型有机太阳能电池光电转化机理，从廉价易得的原料出发，有针对性地设计合成新型受体材料，复合优化现有的材料体系，提高光电转换率，制造出价廉易得、各项性能优异的有机太阳能电池。

3. 国内外研究概况

随着对新型给/受体材料和新器件结构研究的深入，有机太阳能电池器件的制造成本不断降低、使用寿命和器件光电转化率逐渐提高，体异质结型有机太阳能电池成为一种低耗、高效的有机光伏器件，发展潜力巨大。在过去的十年中，已报道的有机太阳能电池光电转换效率在单节电池中已达到10％以上，并且在串联电池中超过12％，主要通过合成并纳入新型电子给体的方法，优化膜形态，发展界面层和设计新的器件结构^[17-19]。但是，有机太阳能电池新型受体材料的发展比较滞后，高效的太阳能电池大部分使用富勒烯衍生物作为受体材料，如[6,6] - 苯基-C61/ 71-丁酸甲酯（PC61BM和PC71BM）等^[20]。