新材料迅猛发展的有机-无机杂化光伏电池材料

 

　　鉴于无机和有机太阳能电池均存在一定的不足之处，近年来有机-无机杂化电池得到了迅猛的发展。该类电池通过将有机和无机材料相结合，形成优势互补，在电池性能方面具有长足的进步。本文简单介绍了几种主要的有机光伏电池材料，包括对亚苯基乙烯(PPV)类材料、吡咯并吡咯二酮(DPP)类材料、聚噻吩(PT)类材料。

 

 

 

 

　　PPV 类光伏材料即聚对苯基乙烯衍生物材料，是应用较广的一类有机光伏电池材料，其具有较好的发光特性和光伏特性。在光伏电池方面的应用，主要是采用烷基侧链取代的PPV类材料，其中以聚２-甲氧基-５-(２-乙基-己氧基)对苯乙烯(MEH-PPV)和聚[２-甲氧基，５-(３′，７′二甲基-辛氧基)]-对苯撑乙撑(MDMO-PPV)两类材料最具代表性，两者均为太阳能给体材料。将MEH-PPV 和MD-MO-PPV 两类材料给体与不同晶体的受体材料相结合，成为探索制备新的有机光伏电池材料的研究重点。

 

　　太阳能光伏受体材料包括n-型共轭聚合物、CdSe和富勒烯衍生物材料等，其中富勒烯衍生物类材料(主要为PC61BM 和PC71BM)较为常见，并且具有诸多良好的光伏性能，但其昂贵的价格也是制约其应用的主要因素。而非富勒烯受体拥有性能稳定、无污染、自然界中分布广泛、可获得性强等优势。虽然近两年来PPV类光伏材料的研究具有一定的突破，但总体上PPV类光伏材料的电池效率仍较低，需进一步深入研究。

 

 

 

　　DPP类材料是目前较为成熟的用于制备光伏电池的材料之一，具有较高的空穴迁移率和电荷载体迁移率，表现出较好的电池性能。有相关文献报道，DPP类聚合物光伏电池的电转化率最高可达8.08%。近两年，多数研究集中在如何改变DPP类材料分子结构或将DPP与受体进行不同比例共混，得到最优组合，从而探索制备高性能的DPP光伏电池。

 

　　改进DPP光伏电池的方法之一是寻找能隙较低的给体，与DPP受体相结合用于提高电池效率；有研究者合成了基于DPP受体的给体-受体共聚物中性短链DPP(Bi-DPP)，即两个DPP基团分列两边，中间由中性小分子基团连接，例如，DPP分别位于苯环的对位。研究发现，Bi-DPP在可见光波段具有较好的吸收，能隙较低(1.52~1.81eV)，可与PC71BM 共混应用于光伏电池。在共轭聚合物上采用取代烷基增溶侧链，可以改变聚合物的性质，增加其光伏特性。同时他们进一步改进了Bi-DPP 结构，通过化学偶联反应，在两个DPP基团分别对接其它化学结构，形成小分子中性短链(SM-Bi-DPP)共聚物，进一步提升了材料的性能。

 

 

 

 

　　PT材料是有机光伏电池中应用最为广泛的材料之一，可用于电致变色、光电传感器和发光二极管等多个领域。PT材料的制备经历了无取代基的聚噻吩、带有直链烷基的聚噻吩和带有支链烷基的聚噻吩等几个阶段，目前优选的性能良好，具有较强的应用前景、有代表的材料为3-己基取代聚噻吩(PH3T)材料。

 

　　近年来，关于PH3T的研究主要包括两个方面。一方面是采用物理方法改变PH3T材料及电池结构，从而提高其性能。如有研究者利用离子辐照的方法改变PH3T聚合物的分子排序，从而改进了其结晶度，提高了能量转化效率。而另有研究者对以P3HT为给体，PC71BM 为受体的电池材料进行了多热处理，缩短了P3HT与PC71BM 之间的面间距，使空穴迁移率达到8.8×10-5c m2/Vs，电子迁移率达到2.5×10-3c m2/Vs，电转化率达到4.39%。因此，采用物理方法可以达到改PH3T材料晶体结构和PH3T电池性能的目的，可视为是一种简单易行的方法。另外，筛选不同受体与PH3T给体共混，寻求电池性能最优化也是最近的研究热点。