太陽能電池中小分子有機半導體材料的合成及其應用分析

潘 璐

（蘭州博文科技學院 基礎課部, 甘肅 蘭州 730101）

1.有機太陽能電池結構及其工作原理

光生伏特效應是有機太陽能電池的工作原理，主要分為四部分。

1.1 激子的產生

在活性層的材料吸收了光子能量以后，它最高占有軌道上的電子被激發(fā)然后移遷到最低的未被占有的軌道上（LUMO），然后在HOMO軌道上留下一個空的穴口。HOMO軌道上的空穴和LUMO軌道上的電子在庫侖力的作用下被束縛成一對電子-空穴對，將這對電子-空穴對稱之為激子[1]。

1.2 激子的遷移和擴散

電子在躍遷過程當中產生的激子會擴散到受體的界面上。“激子”在擴散的時候主要是依靠能量轉移，偶極子在振動的時候會引起周圍份子的振動，同時也能將能量傳遞給周邊的分子，然而周邊的分子收到激發(fā)從而產生激子。激子是有一定壽命的，所以它在一定的時間內就會復合。激子的擴散距離大概為10nm，如果不在這個范圍內，就會發(fā)生復合。因此，會經過形貌優(yōu)化對當前廣泛使用的本體異質結構進行改變，盡可能的實現(xiàn)連續(xù)的給受體互穿網絡，提供更多的給受體界面，從而減少激子的復合。

1.3 激子的解離

在激子擴散到給受體界面的時候，給受體HOMO、LUMO的存在能力特別差，激子就會發(fā)生解離。此時電子與空穴的給體與受體正好相反，電子是由給體的LUMO能級傳輸?shù)绞荏w的LUMO能級上，空穴是由受體的HOMO能級傳輸?shù)浇o體的HOMO能級上。激子在解離的時候需要給體與受體之間存在適當?shù)哪芗壊?，之前一般?guī)定這個能極差需要比0.3eV要大，但是現(xiàn)在已經有出現(xiàn)很多能極差比0.3eV要小。

1.4 載流子的傳輸

由于陰極、陽極材料的功函不同，所以產生的驅動力也不同，當激子解離為自由電子后，電子在受體相中后向陰極的一方傳輸，空穴則向給體相中的陽極傳輸，最后都被收集從而形成電流。在這個過程當中，電荷受到遷移率的影響比較大，除此之外，給受體還受到自身性質的影響，假如給受體相結晶度比較高的話更有利于電荷的傳輸。

2.基于茚并噻吩非對稱小分子的合成及其在有機太陽能電池中的應用

有機太陽能在過去的幾十年當中取得了卓越的進步。其中電荷的分離和傳輸變得更加有效，這源于器件結構從雙層異質結到本體異質結的改變，當前使用的本體異質結機構的有機太陽能電池效率已經達到了百分十之十六點多，這就說明有機太陽能電池的效率已經有了很大提高。雖然太陽能電池在當前已經取得了很大的成果，但是要想將有機太陽能發(fā)展商用，仍然需要解決很多的問題。我們知道提高有機太陽能電池的效率主要在于改變開路電壓以及短路電流的效率，然而現(xiàn)在已經使用的改進方法主要是改變活性層材料分子的結構設計，主要對活性層納米的相貌進行優(yōu)化以及對界面工程的改變。

除此之外，疊層、三元太陽能電池這兩個策略也收到了特別的關注。相比較而言，疊層電池在制備過程當中的工藝比較復雜，膜厚需要進行特別的精確控制，并且相對而言，它的成本比較高，然而三元策略就相對比較簡單，更具有重復性[1]。

跟二元有機太陽能電池相比，三元有機太陽能電池一般情況下包含一個給體還有兩個受體或者是兩個給體和一個受體。三元電池中的第三組分的選擇一般考慮到以下幾個方面：

如圖1-1（a）所示，第三組份能夠將二元體系的吸收光譜拓寬，從而將短路電流增強；

如圖1-1（b）所示，第三組份能夠和二元體系形成級聯(lián)能級，從而提高Voc；

圖1-1 雙給體三元太陽能電池示意圖

第三組份有合適的結晶性，能夠優(yōu)化活性層納米形貌，從而提高填充因子。

將不對稱的茚并噻吩作為核心的結構單元，跟現(xiàn)在報道的許多對稱結構相比較，不對稱結構往往會產生更大的固有偶極矩，所以能夠使分子間偶極矩進行相互作用并且進行平行分子的排列，進而使π-π堆積更強，這樣可以改變共混膜的形態(tài)，從而抑制雙分子的重組從而提高電荷載流子遷移率。與此同時，使用強吸電子的丙二腈、5,6-二氟-1,1-二氰基亞甲基-3-茚滿酮作為端基并將其合并成兩個結晶性較高的小分子ITDCN和ITDCF[2]。茚并噻吩單元與較弱的供電子特性相比，更有利于增加店里電勢并改善器件的Voc。另外，據相關報道稱，不對稱茚并噻吩還有利于實現(xiàn)中等吸收以及能級。吸電子的增加末端基團的能力能夠減低復合帶隙，預計ITDCF的帶隙比ITDCN的藥窄。

3.基于BDT的A-D-A型小分子給體的合成及其在有機太陽能電池中的應用

在最近幾年，鑒于有機太陽能電池重量輕、成本低以及可柔性等優(yōu)點得到了飛速的發(fā)展。小分子光伏具有結構明確、合成便捷、無批次問題、易于提純等特點，因此受到研究者的廣泛關注?，F(xiàn)在利用小分子材料的有機太陽能電池取得了很大的進步，單結效率已經超過16%。與聚合物給體材料相比，效率明顯提高，然而目前小分子給體材料的研究還處于起步階段，需要研究者付出更多的努力。一個理想的小分子給體材料要想在有機太陽能電池中進行很好的應用，需要滿足下面的幾個條件：

需要盡可能的擁有與太陽光譜相匹配的吸收光譜還有高吸收系數(shù)，從而提升短路電流的密度；

HUMO的能級相對較低，從而提升開路的電壓；

平面分子具有較大的扭轉能，從而減少因子轉動引起的能量損失；

需要具有適度的結晶性，從而更易于在活性層中與受體形成良好的分相，加大載流子的遷移率。

現(xiàn)在已經有很多關于小分子給體的報道，但是器件效率和聚合物給體相比較仍然有比較大的差距。然而很少有小分子給體材料能夠同時滿足上面所說的要求。苯并二噻吩（BDT）經過研究發(fā)現(xiàn)，具有高度對稱的平面結構以及較大的芳香雜環(huán)共軛結構，這種結構很容易實現(xiàn)分子間π-π堆積，其中較大的π電子離域體系更有利于提升器件載流子的遷移率。與此同時，BDT分子上有兩個位點能夠提升它的光伏性能。鑒于這些優(yōu)點，BDT單元在有機光電材料當中擁有很廣泛的應用。然而A-D-A構小分子擁有特別強的分子內電荷轉移作用，這種構型能夠有效拓寬分子的吸收區(qū)間，從而降低分子HOMO的能級，提高器件光伏的性能，因此也被廣泛應用于有機光電材料中。

4.結語

隨著科技的進步，小分子有機半導體材料被廣泛應用于有機太陽能電池當中，這對于社會的進步與發(fā)展有著很大的作用。當然，小分子半導體材料的使用還處于初級階段，仍然需要更多的研究者進行開發(fā)與研究。