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有机光电功能材料的制备与性能研究概述：有机光电功能材料是一类具有光电转换和储能功能的材料，其制备和性能研究对于开发高效率光电器件具有重要的意义。
本文将首先介绍有机光电功能材料的制备方法，包括溶液法、薄膜法、界面工程等，然后详细探讨材料性能的研究，包括光电特性、热学性质以及稳定性等方面的研究进展。
一、有机光电功能材料的制备方法1. 溶液法制备：溶液法是制备有机光电功能材料的常用方法之一。
通过溶解有机小分子或高分子材料于有机溶剂中，可以得到均匀的溶液。
随后，通过旋涂、溶剂蒸发、插层等方法将溶液转化为薄膜。
溶液法制备的材料具有制备简单、可扩展性强的特点。
2. 薄膜法制备：薄膜法是制备有机光电功能材料的另一种重要方法。
利用物理汽相、化学汽相沉积、溅射等技术，可以在衬底上制备出均匀、致密的有机薄膜。
薄膜法制备的材料具有较好的载流子输运性能和较高的光电转换效率。
3. 界面工程：在有机光电功能材料的制备过程中，界面工程是一项重要的技术。
通过调控界面的结构和能级，可以调节电荷传输和载流子输运，从而提高光电器件的性能。
界面工程可以通过界面改性剂、插层等手段来实现。
二、有机光电功能材料的性能研究1. 光电特性研究：光电特性是评价有机光电功能材料性能的重要指标。
通过光电吸收、发射光谱、光电流-电压特性等实验手段，可以研究材料的能带结构、光学性质以及光电转换效率等。
近年来，有机光电功能材料在光伏器件、光电传感器等领域取得了显著的进展。
2. 热学性质研究：热学性质对于材料在光电器件中的稳定性和可靠性起着重要的作用。
研究材料的热导率、热膨胀系数、热稳定性等参数，可以为材料的应用提供理论基础和指导意义。
目前，许多学者正在研究有机光电功能材料的热学性质，以提高材料的稳定性和长期使用寿命。
3. 稳定性研究：有机光电功能材料的稳定性问题一直是制约其应用的瓶颈之一。
材料在长期使用、吸湿、光照等环境条件下的稳定性需要进行深入研究。
通过研究材料的降解机理、表面修饰、界面结构等方面，可以减缓材料的老化速度，提高材料的稳定性。
有机叠层太阳能电池有机叠层太阳能电池：1.什么是有机叠层太阳能电池有机叠层太阳电池（Organic Photovoltaic，OPV）是一种非常新颖的太阳能电池技术，它使用材料厚度仅为数百纳米的有机半导体和金属层来捕获能量并将其转换为电能。
这是一种“印刷电池”技术，也可以通过在很薄的材料上层叠来制造电池，从而大大降低了成本，而且可以比传统太阳能电池输出更高的电能性能。
2.有机叠层太阳能电池优势（1）体积小：有机叠层太阳能电池太阳能电池只有几微米厚，可以制成超薄型的太阳能组件，而传统太阳能电池的厚度需要很多毫米，这种技术能够大大减少太阳能电池的体积，重量轻，可以是其他组件的集成，应用的能力更广泛。
（2）成本低：由于有机叠层太阳能电池本身十分薄，用起来特别方便，而且成本低，在原材料成本上只占2%以内，大大降低了整个电池成本，可更好地适应产业化生产。
（3）有效率：有机叠层太阳能电池的有效率比传统太阳能电池要高，其最高有效率可以达到13.1%至14.0%之间，让太阳能发电更加经济高效。
3.有机叠层太阳能电池应用领域（1）智能手机：有机叠层太阳能电池的超薄体积可以帮助智能手机实现有效电能充放，其安装也可以集中于手机表面，不影响其原有美观性。
（2）平板电脑：有机叠层太阳能电池可以用于平板电脑，用于实现太阳能给平板电脑带来的可再生的能源。
（3）车载：有机叠层太阳能电池的薄厚度可以实现车载太阳能动力，可用于调节汽车电路、消耗燃料、改善汽车性能以及改善汽车外观。
（4）畜牧业：畜牧业可以利用有机叠层太阳能电池技术，用于兽类照料、温度诊断系统以及消防监管系统，大大降低农牧业的成本。
4.结论有机叠层太阳能电池是一种新型的太阳能电池技术，其超薄体积、成本低和有效率高的优势使其具有更广泛的应用前景，特别是用于智能手机、平板电脑、车载和畜牧业场景，都可以带来革新性的能源可再生应用。
新型有机半导体材料的研究与应用近年来，随着电子产品的迅猛发展，有机半导体材料作为一种新型材料，备受人们关注。
有机半导体材料具有较高的光、电学性能，可用于制造高效、柔性、低成本的光电器件。
本文将介绍有机半导体材料的研究进展以及其在实际应用中的表现。
一、有机半导体材料的研究进展有机半导体材料最早是在1970年代发现的，当时人们只是将其视为一种新型有机化合物。
直到20世纪80年代，随着有机半导体材料的应用领域逐渐拓宽，有机半导体材料的研究进入到一个黄金时期。
有机半导体材料相比于传统的无机半导体材料，具有制备简单、成本低、柔性好等优势。
但是，由于有机半导体材料的分子结构和性质复杂，研究工作难度较大。
在近些年中，通过利用先进的合成手段和精密物理特性表征方法，研究人员不断地提高有机半导体材料的制备工艺和性能。
目前，有机半导体材料已经达到了非常高的水平。
二、有机半导体材料在光电器件中的应用1. 有机发光二极管有机发光二极管（OLED）是有机半导体材料的一个代表性应用。
从1990年代开始，OLED就进入到了实际生产领域。
OLED 具有高亮度、高对比度、低功耗等优点。
它可以制成柔性或半透明的显示屏，并且有望替代传统液晶显示屏。
2. 有机薄膜太阳能电池有机薄膜太阳能电池（OPV）是应用有机半导体材料最受关注的领域之一。
与硅基太阳能电池相比，OPV具有柔性、轻质等特点，可以制成具有多样性的形态，因此具有更广泛的应用前景。
目前，OPV的能量转换效率已经达到17%。
3. 有机场效应晶体管有机场效应晶体管（OFET）是由有机半导体材料制成的晶体管。
OFET可以应用于各种传感器、电荷耦合器、驱动晶片等器件中。
三、有机半导体材料未来发展前景有机半导体材料作为一种新型材料，由于其制备工艺简单、成本低、柔性好等特点，其未来发展前景十分广阔。
随着美国、日本、德国等国家对有机半导体材料的研究不断深入，国内研究人员也在积极攻克相关技术难点。
有机光伏材料的界面工程研究在当今社会，能源危机已经成为全球环保和可持续发展的重要议题。
为了解决这个问题，科学家们研发了一种新型的太阳能利用技术——光伏发电。
作为其中的重要一环，有机光伏材料已逐渐成为了研究和应用的热点。
本文将从有机光伏材料的概念和种类、有机光伏材料的界面工程研究以及研究进展等方面进行论述。
1. 有机光伏材料的概念和种类有机光伏材料，简称OPV，是指以有机化合物或有机聚合物作为光电转换材料的光伏电池。
相较于传统硅光伏电池，OPV具有制造成本低、柔性透明、轻薄等特点，并具有更广泛的应用前景。
根据材料的结构和性质，OPV可以分为三代：第一代OPV材料是在1990年代就已经提出的，其使用双层结构将阳极和阴极分开，但对于太阳能的吸收效率很低；第二代OPV材料通过改变结构，采用共轭聚合物，降低了能带gap，提高了对太阳能的吸收效率；第三代OPV材料则利用了三分子复合的机理，达到了高效转换。
2. 有机光伏材料的界面工程研究界面工程是指以薄膜的物理化学性质为中心，通过调制电子、能谷、电子亲和力等界面物理参数来提高OPV器件的光电转换效率和稳定性。
有机光伏材料的结构与器件的性能密切相关，当两种材料接触时，必然发生一定程度上的能带弯曲、能级移动和电荷转移等现象，这些现象都直接影响器件的性能。
因此，界面工程在有机光伏材料研究中起着非常重要的作用。
与前面提到的三代OPV材料相对应，界面工程的研究也分为三个方面：第一方面是传统的界面调控，可以利用表面修饰或添加介电层等技术来调控OPV材料表面的物理和化学性质，从而提高器件的光电转换效率；第二方面是材料本身的优化，通过自组装等方法对材料表面形态和电学特性进行调制，以提高器件的性能；第三方面则是光伏材料与辅助材料界面的调控，通过界面调控，可以有效控制e-h复合的过程和光电转换过程，从而提高器件的性能。
3. 有机光伏材料研究的进展在界面工程的研究中，很多新兴的材料都得到了广泛的应用和研究。
纳米结构有机半导体薄膜材料及其在光电器件中的应用研究随着半导体技术的快速发展，纳米结构有机半导体薄膜材料在光电器件中的应用逐渐升温。
作为一种新型的半导体材料，纳米结构有机半导体薄膜材料具有许多独特的性质，如可塑性、可溶性、低成本等优点，这使得其在柔性电子学、有机太阳能电池、有机场效应晶体管以及光电探测器等领域有着广泛的应用价值。
一、纳米结构有机半导体薄膜材料的制备方法纳米结构有机半导体薄膜材料通常采用溶液法制备，其制备流程主要包括材料的选择、溶液的制备、薄膜的沉积以及后处理等步骤。
目前，可用的制备方法主要有旋涂法、喷涂法、印刷法、场致生长法、自组装法等。
其中，旋涂法是最常用的一种方法，其制备流程简单，成本低，适用于大面积的薄膜制备。
二、纳米结构有机半导体薄膜材料在光电器件中的应用1. 有机太阳能电池有机太阳能电池是一种新型的光伏器件，通过光伏效应将光能转化为电能。
目前，用于太阳能电池的纳米结构有机半导体薄膜材料主要包括聚合物、配合物和低分子有机化合物等。
其中，聚合物太阳能电池具有高效率、低成本等优点，已经成为研究的热点。
2. 有机场效应晶体管有机场效应晶体管是一种新型的电子器件，其主要应用于液晶显示屏、RFID 等领域。
纳米结构有机半导体薄膜材料通过旋涂等制备方法可以制备出高质量的薄膜，为有机场效应晶体管的制备提供了可靠的材料基础。
3. 光电探测器光电探测器是一种常见的光电器件，其主要用于光通信、光电传感等领域。
纳米结构有机半导体薄膜材料由于其好的光电性能，在光电探测器中也有着广泛的应用。
三、结语纳米结构有机半导体薄膜材料是一种新型的材料，由于其可塑性、可溶性等优势，在光电器件中有着广泛的应用前景。
未来，随着制备方法的不断改进以及技术的不断创新，纳米结构有机半导体薄膜材料必将得到更广泛的应用。
有机光伏电池活性层和界面层溶液及器件性能调节摘要：有机光伏电池（OPV）作为一种新兴的可再生能源技术，由于其独特的材料和工艺优势，已经引起人们的广泛关注和研究。
本文综述了有机光伏电池活性层和界面层溶液及器件性能调节的研究进展。
首先介绍了有机光伏电池中重要的电子传输和光吸收的原理，然后详细阐述了影响活性层和界面层性能的各种因素，包括溶液配方、处理工艺、基底性质等。
接着对现有的活性层和界面层溶液进行了系统的总结和比较，并对不同溶液的优缺点进行了分析和评价。
最后，介绍了一些进一步优化器件性能的方法，如添加添加有机小分子、界面修饰剂和光学透明导电膜等，提高器件的光电转换效率和稳定性。
本文的研究对于有机光伏电池的优化设计和应用具有重要的指导意义。
关键词：有机光伏电池；活性层；界面层；溶液处理；光电转换效率；稳定性一、引言随着全球能源危机的日益严重和人们对环保与可持续发展的追求，绿色能源的研究和应用越来越受到人们的关注。
太阳能作为一种最为普遍和源源不断的可再生能源，正受到越来越多的关注和研究。
有机光伏电池（Organic Photovoltaics, OPV）因其具有低成本、高效率、可制备性强和可塑性等诸多优势，已经成为一种备受研究者关注的新兴可再生能源技术。
在有机光伏电池中，光能转换为电能的过程主要是通过光吸收和电子传输实现的。
有机光伏电池的活性层（Active Layer）和界面层（Interface Layer）是整个器件光电转换效率和稳定性的关键。
活性层是能够吸收阳光并将其转化为电子的重要层，其材料和制备方法对器件性能有着很大的影响。
界面层是将光电能量从活性层传输到电极的重要层，其电子和离子传输的行为也对器件的性能有很大的影响。
因此，研究有机光伏电池活性层和界面层的制备和优化具有很重要的意义。
本文将综述有机光伏电池活性层和界面层溶液及器件性能调节的研究进展。
首先介绍了有机光伏电池中重要的电子传输和光吸收的原理，接着阐述了影响活性层和界面层性能的各种因素，包括溶液配方、处理工艺、基底性质等。
高分子光电材料在有机太阳能电池中的应用随着能源危机的日益加剧和环境问题的凸显，可再生能源逐渐成为了全球研究的热点领域之一。
在可再生能源中，太阳能因其广泛可利用性、清洁无污染以及永无尽头的特性备受科学家们的关注。
近年来，高分子光电材料在有机太阳能电池中的应用越来越受到关注，并取得了一系列令人瞩目的成果。
有机太阳能电池（Organic Photovoltaic，OPV）是目前太阳能电池领域的一种新型研究热点。
与传统的硅太阳能电池相比，OPV具有柔性、轻薄以及低成本等优势。
其中，高分子光电材料作为OPV中的重要组成部分，扮演着关键的角色。
高分子光电材料是由有机主链和侧链构成的共轭聚合物，在吸收太阳光能量后，能够将光能转化成电能。
这种材料具有较高的光电转化效率、较宽的光谱响应范围，以及良好的可溶性和可加工性，使其成为具有巨大潜力的有机太阳能电池材料。
首先，高分子光电材料的光吸收特性使得太阳能充分利用。
高分子光电材料具有宽带隙和较高的摩尔消光系数，能够在可见光和近红外光谱范围内高效吸收阳光。
这种吸收特性使得高分子光电材料能够在较低光照条件下获得足够的光能，提高了有机太阳能电池的效率。
其次，高分子光电材料具有较高的载流子迁移率和导电性能。
传统的有机材料的载流子迁移率较低，导致了电荷的容易积聚和迁移的困难，降低了有机太阳能电池的效率。
而采用高分子光电材料可以有效提高载流子的迁移率，并带来更高的导电性能，从而提高了有机太阳能电池的光电转化效率。
此外，高分子光电材料还具有结构可调性和界面相容性。
高分子光电材料的结构可以通过化学合成来控制，从而调节其能带结构和光电性能，进一步提高有机太阳能电池的性能。
同时，采用高分子光电材料可以提高有机太阳能电池与其他材料之间的界面相容性，减少能量损失和电荷复合，增加光生电荷的提取效率。
最后，高分子光电材料具有较好的可加工性和柔性。
高分子光电材料可以通过溶液加工、喷涂或印刷等简单制备技术加工成薄膜，能够灵活适应不同形状和尺寸的器件需求。
有机半导体光电器件研究第一章概述有机半导体材料是一种具有独特光电特性的新型材料，其应用潜力巨大。
在有机半导体材料的基础上，研究出了各种光电器件，如有机光伏电池、有机场效应晶体管、有机发光二极管等，这些器件广泛应用于太阳能发电、电子信息、生物医学、照明等领域。
本文将着重介绍有机半导体光电器件研究的最新进展和未来展望。
第二章有机光伏电池有机光伏电池（简称OPV）是一种新型的光电转换器件，其主要部件是由有机半导体材料构成的太阳能电池芯片。
与传统硅基太阳能电池不同，OPV工作时无需使用银、铝等昂贵的金属导电层，将有机半导体材料直接印刷在塑料基底上即可制成。
因此，可制成轻薄柔性电池，能够适应多种复杂形状的设备。
OPV的研究主要集中在两个方面：提高光电转换效率和提高器件稳定性。
现在，OPV光电转换效率已高达17%以上，远高于几年前的5%左右。
而稳定性方面，由于有机材料的化学结构不稳定，使得OPV的使用寿命较短。
为此，人们不断地研究寻找更稳定的材料，并采用多层结构、引入杂质等手段来提高器件的稳定性。
未来，有机光伏电池有望成为可替代硅基太阳能电池的光电转换器件，但目前其制造成本较高，还需进一步发展。
第三章有机场效应晶体管有机场效应晶体管（简称OFET）是一种可以调节电阻和电流的晶体管，其主要部件是由有机半导体材料制成的源极、漏极和栅极。
由于其底板材料可以使用透明的塑料薄膜代替硅基材料，因此与传统晶体管相比，OFET有更高的透明度和柔性，可以作为大面积、柔性的显示屏幕的驱动器。
OFET的研究主要集中在两个方面：提高电路速度和提高稳定性。
现在，OFET已经可以实现高速的运算，且部分OFET器件的稳定性已达到满足实际应用的要求。
未来，OFET有望成为一种新型的电子存储器件、可穿戴设备的核心元器件，对于柔性显示、超薄电视等领域具有广泛的应用前景。
第四章有机发光二极管有机发光二极管（简称OLED）是一种新型的平面发光器件，其主要部件是由有机半导体材料制成的发光层和电荷输运层。
柔性有机太阳能电池技术研究进展及其在可穿戴设备中的应用前景柔性有机太阳能电池技术近年来取得了长足的进展，并且在可穿戴设备领域具有广阔的应用前景。
下面将详细讨论柔性有机太阳能电池技术的研究进展以及它在可穿戴设备中的应用前景。
柔性有机太阳能电池是一种新兴的太阳能转换技术，相较于传统的硅基太阳能电池，柔性有机太阳能电池具有重量轻、柔性、透明等优点，可以制造成各种形态，并附着在各种物体表面上，因此在可穿戴设备领域具有巨大的应用潜力。
柔性有机太阳能电池的研究进展主要集中在提高其能量转换效率、稳定性和生产工艺上。
目前，提高能量转换效率是研究的重点之一。
通过原料的改良和组分的优化，研究人员能够制造出更高效的有机太阳能电池。
例如，利用新型的有机共轭聚合物材料，能够提高电池的电荷传输效率，从而提高整个电池的能量转换效率。
此外，通过电极材料的改进，也能够提高电池的光吸收能力，进一步提高能量转换效率。
除了提高能量转换效率，提高柔性有机太阳能电池的稳定性也是研究的重要方向之一。
由于柔性有机太阳能电池的结构相对脆弱，容易受到环境因素的影响，如湿度、温度和氧气等，导致电池性能的下降。
因此，研究人员致力于研发稳定的材料和生产工艺，以提高柔性有机太阳能电池的长期稳定性和耐久性。
此外，研究人员还进行了多种形态的柔性有机太阳能电池的研究，如可卷曲、可拉伸和可裁剪等。
这些形态多样的柔性电池可以根据不同的应用需求进行定制，适应各种复杂的可穿戴设备设计。
例如，在智能手表、智能眼镜和智能贴片等设备中，柔性有机太阳能电池可以作为能源供应的关键组件，为设备提供稳定的电力支持。
柔性有机太阳能电池在可穿戴设备中的应用前景非常广阔。
首先，柔性有机太阳能电池的轻薄柔性特性使得其能够嵌入到各种衣物、手表和眼镜等可穿戴设备中，不会给使用者带来额外的负担。
其次，柔性有机太阳能电池可以利用光能将太阳能转化为电能，提供持久的电力支持。
这种独特的能源供应方式可以为可穿戴设备带来更长的续航时间，减少对传统电池的依赖。
中国科学B辑:化学 2008年 第38卷 第11期: 1~19 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展密保秀, 高志强, 邓先宇, 黄维*南京邮电大学信息材料与纳米技术研究院, 江苏省有机电子与平板显示重点实验室, 南京 210003* 联系人, E-mail: wei-huang@收稿日期：2008-04-30; 接受日期：2008-10-10国家自然科学基金(批准号：20774043、90406021)、江苏省高校自然科学基础研究基金(批准号：08KJB430011)和南京邮电大学攀登计划(批准号：NY207013, NY207162)资助项目摘要近年来, 有机薄膜太阳能电池的研究得到突飞猛进的发展, 其功率转换效率从很困难达到3%, 普遍地提高到3%~5%, 且根据模拟预测有希望达到10%. 显然, 这是新材料和新器件结构的涌出以及器件机理研究深入的共同结果. 本文介绍有机薄膜太阳能电池的的结构及工作原理, 讨论材料结构与器件性能的关系, 综述近年来材料与器件结构等方面的进展. 关键词光伏太阳能电池有机薄膜电池结构1引言太阳能电池是将光能(太阳光能)转换为电能的器件, 是一种光伏器件, 于1954年在贝尔实验室首次发现[1,2]. 开始的研究主要集中于以单晶硅为活性材料的无机太阳能电池, 当时贝尔实验室报道的器件效率为4%. 无机太阳能电池通常是基于p-n结结构：p区存在过剩空穴, n区存在过剩电子, 在p-n结附近, 由于p型和n型的突变而形成内建电场. 材料吸收光后产生的电子空穴对, 通过扩散, 达到p-n结界面, 在内建电场作用下分开, 并分别向两个电极移动, 形成光伏. 20世纪90年代无机太阳能电池家族中又发展了砷化镓、碲化镉以及叠层GaInP/GaAs/Ge 等器件, 它们由单晶、多晶或者非晶薄膜构成. 尽管目前无机太阳能电池总能量转化效率达到了25%以上[3], 但是, 昂贵的成本及窄带隙半导体的严重光腐蚀限制了无机太阳能电池的实际应用. 降低成本是这一领域的主要课题之一：人们一方面发展可降低成本的非晶薄膜加工技术, 另一方面也在研究较为廉价的半导体材料如碲化镉等. 1991年, 较低成本的染料敏化二氧化钛太阳能电池[4,5]出现,其转换效率可达到10%左右. 但是该类电池需要液体电解液, 阻碍了其实际应用.最为廉价和有吸引力的太阳能电池材料非有机物莫属：一方面由于有机材料合成成本低、功能易于调制、柔韧性及成膜性都较好; 另一方面由于有机太阳能电池加工过程相对简单, 可低温操作, 器件制作成本也较低. 除此之外, 有机太阳能电池的潜在优势还包括：可实现大面积制造、可使用柔性衬底、环境友好、轻便易携等. 因而有望在手表、便携式计算器、半透光式充电器、玩具、柔性可卷曲系统等体系中发挥供电作用.有机太阳能电池的研究始于1959年, 其结构为单晶蒽夹在两个电极之间[6],器件的开路电压为200 mV, 由于激子的解离效率太低使得转换效率极低. 这方面研究的重大突破是邓青云博士于1986年报道的双层结构染料光伏器件[7]. 器件以酞菁衍生物作为p型半导体, 以四羧基苝的衍生物作为n型半导体, 形成双层异质结结构, 功率转换效率(ηp)约为1%. 该密保秀等: 基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展研究首次将电子给体(p型)/电子受体(n型)有机双层异质结的概念引入, 并解释了光伏效率高的原因是由于光致激子在双层异质结界面的光诱导解离效率较高. 1992年, 研究发现用共轭聚合物作为电子给体(Donor, 简写D)和C60作为电子受体(Acceptor, 简写A)[8~12]的体系, 在光诱导下可发生快速电荷转移且该过程的速率远远大于其逆向过程. 原因是C60表面是一个很大的共轭系统, 其电子在由60个碳原子组成的分子轨道上离域, 因此可以稳定外来电子. 这一发现, 使聚合物太阳能电池的研究成为新的热点. 继而发展的以聚合物MEH-PPV做给体、C60衍生物PCBM作为受体的共混材料制备的本体异质结器件, 由于无处不在的纳米尺度的界面大大增加了异质结面积, 激子解离效率提高, 使ηp进一步提高, 到达2.9%[13].在过去的30年里, 人类投入巨大的精力来研究有机太阳能电池, 双层异质结器件[14~17]、本体异质结器件[13,18~22]、混合蒸镀的小分子器件[23,24]以及有机无机杂化器件[25,26]的研究都有了长足的进展. 研究显示, 有机太阳能电池的ηp在实验室中已经达到5%[27~29], 6.1%的器件已见报道[30], 而经过改进器件结构, ηp有望达到10%[27]. 根据模拟预测, 当器件的能级结构、材料的光隙及迁移率都处于同时优化的器件中, 本体异质结聚合物/富勒烯太阳能电池的ηp可到达11%[31], 级联器件的ηp可达16%[32]. 科研工作者们通过创新材料、优化结构以及完善理论等方面的研究, 正朝着这个目标前进.本综述主要从器件结构和材料创新角度, 回顾和总结有机太阳能电池的研究进展, 强调器件机理和功能材料设计的基本概念和最新发展. 作为进一步的参考, 读者可阅读近年的一些综述：聚合物有机太阳能电池[33~35], 小分子和寡聚物有机太阳能电池[36~38].2器件结构及其工作原理有机太阳能电池的结构, 由单层Schottky器件开始, 相继发展了双层异质结、本体异质结、分子D-A 结, 以及基于以上单元结构的级联器件等. 除了要求活性材料有较高的太阳光谱吸收能力, 有机光伏器件中激子解离是提高器件效率的最重要因素. 与无机光伏器件吸收光后产生自由电子空穴对不同, 有机材料在吸收光后, 产生流动的激发态(即束缚电子空穴对). 由于激子中电子空穴对之间库仑作用较大, 同时有机物介电常数较小, 使激子解离需要的能量高于热能kT[39,40], 因此, 有机材料激子解离困难,不易形成自由载流子. 不同的器件结构中, 激子解离的机制有所不同.2.1单层Schottky器件如图1(a) 所示为单层太阳能电池结构, 只有一层同质单一极性的有机半导体材料内嵌于两个电极之间. 图1(b)是器件的能级示意图, 其中的HOMO是材料的最高占据轨道, LUMO是材料的最低空置轨道. 有机分子吸收光产生激子后, 电子占据较高能级的π*轨道(LUMO), 而与之相关联的空穴占据较低能级的π轨道(HOMO), 如图1(b)所示. 由于两个电极功函数的不同, 传输空穴的π轨道能级与具有较低功函数的电极之间将形成Scchottly势垒(见图1, 能带弯曲W区域), 即内建电场. 这是有机单层光伏器件电荷分离的驱动力：只有扩散到Schottky势附近的激子, 才有机会被解离[41,42]. 然而, 有机物中激子扩散长度一般都小于20 nm且Schottky势的范围W在电极与材料接触界面处仅几个纳米厚, 因此只有极少一部分激子能够到达电极附近, 被解离, 最终产生电流. 单层器件的光电转换效率极低, 电流是激子扩散限制型的. 这种器件可以作为光检测器, 因为在较强的外电场作用下, 光照产生的电荷可迁移到电极, 产生电流.图1 单层器件工作原理(a)器件结构; (b)能级示意图2.2双层异质结器件在双层光伏器件中, 给体和受体有机材料分层中国科学B辑: 化学 2008年第38卷第11期排列于两个电极之间, 形成平面型D-A界面. 其中, 阳极功函数要与给体HOMO能级匹配; 阴极功函数要与受体LUMO能级匹配, 这样有利于电荷收集. 双层器件的原理见图2, 图中忽略所有由于能级排列而产生的能带弯曲和其他界面效应.图2 双层异质结器件工作原理(a)器件结构; (b)能级示意图在双层异质结器件中, 光子转换成电子有以下几个步骤：(1) 材料吸收光子产生激子：当入射光的能量大于活性物质的能隙时(Eg), 活性物质吸收光子而形成激子; (2) 激子扩散至异质结处; (3) 电荷分离：激子在异质结附近被分成了自由的空穴(在给体上)和自由的电子(在受体上), 它们是体系中主要的载流子, 具有较长的寿命; (4) 电荷传输以及电荷引出：分离出来的自由电荷, 经过传输到达相应的电极, 进而被收集和引出[38,43].双层异质结器件中电荷分离的驱动力是给体和受体的最低空置轨道(LUMO)能级差[44], 即给体和受体界面处电子势垒. 在界面处, 如果势垒较大(大于激子的结合能), 激子的解离就较为有利：电子会转移到有较大电子亲和能的材料上.与单层器件相比, 双层器件的最大优点是同时提供了电子和空穴传输的材料. 当激子在D-A界面产生电荷转移后, 电子在n型受体材料中传输, 而空穴则在p型给体材料中传输. 因此电荷分离效率较高, 自由电荷重新复合的机会也降低.2.3本体异质结器件在本体异质结器件中, 给体和受体在整个活性层范围内充分混合, D-A界面分布于整个活性层. 本体异质结可通过将含有给体和受体材料的混合溶液以旋涂的方式制备, 也可通过共同蒸镀的方式获得, 还可以通过热处理的方式将真空蒸镀的平面型双层薄膜转换为本体异质结结构.本体异质结器件原理见图3, 图中忽略所有由于能级排列而产生的能带弯曲和其他界面效应. 本体异质结器件与双层异质结器件相似, 都是利用D-A 界面效应来转移电荷. 它们的主要区别在于：(1) 本体异质结中的电荷分离产生于整个活性层, 而双层异质结中电荷分离只发生在界面处的空间电荷区域(几个纳米), 因此本体异质结器件中激子解离效率较高, 激子复合几率降低, 缘于有机物激子扩散长度小而导致的能量损失可以减少或避免; (2) 由于界面存在于整个活性层, 本体异质结器件中载流子向电极传输主要是通过粒子之间的渗滤(percolation)作用, 而双层异质结器件中载流子传输介质是连续空间分布的给体或受体, 因此双层异质结器件中载流子传输效率相对地高. 而本体异质结器件由于载流子传输特性所限, 对材料的形貌、颗粒的大小较为敏感, 且填充因子相应地小[45].图3 本体异质结器件工作原理(a) 器件结构; (b) 混合在一起的给体(白色)和受体(黑色)空间分布示意图; (c) 本体异质结器件能级示意图2.4分子D-A结器件将具有电子给体性质的单元以共价键方式连接到受体聚合物或者小分子上, 形成分子D-A结材料,密保秀等: 基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展即同质双极材料. 以这种材料为活性层制作的单层器件, 为单层分子D-A结器件, 如图4所示.图4 分子D-A结器件D代表给体基团, A代表受体基团与单层Schottky器件的激子解离机制不同, 分子D-A结器件中激子解离的动力来源于光诱导下分子内由于给体和受体的同时存在而产生的化学势梯度. 该化学势梯度, 主要取决于分子内D基团与A基团的链接模式, 它不但促进分子内激子解离, 同时驱动电荷的迁移[46]. 而D与A的连接模式, 与它们各自的电子结构特性有关, 也受A与D之间的距离、比例、相对空间位置等影响. 借鉴无机半导体概念, 给体D 或受体A通常具有p-型或n-型半导体特性, 因此在有机半导体中, D或者A通常也称作p-型或n-型有机半导体. 在这方面, 我们提出的p-n共嵌概念对控制分子D-A材料的HOMO和LUMO能级、调节给体和受体之间的界面以及关联材料的膜形态与器件性能有很重要的指导作用[47~49].理想状态下, D-A结器件在分子内产生激子解离, 可从根本上避免给体和受体材料之间的相分离, 以及由于给体或受体分子的聚集现象而导致的电荷分离效率降低的问题. 但是, 与相应的本体异质结器件相比, 在D-A分子内伴随着光诱导电荷转移的发生, 电荷复合几率也得到增强. 因为分别分布在D单元和A单元的电荷需要通过链间的跃进来防止复合, 这个过程相对于链内的复合显然要困难些. 材料中光诱导电荷转移与能量转移的竞争可进一步降低D-A结器件的效率[50~52].研究者根据D-A结分子的概念, 提出更进一步的“双轴”材料的设想, 即从分子水平上控制材料的排列, 将具有线性结构的D-A聚合物或者寡聚物以有序方式排列, 使得材料中的D单元与A单元分别排列在一起, 形成A结构单元和D结构单元. 这样, 电子可以沿A结构单元输运, 而空穴可以沿D结构移动, 如图5所示[53]. 可以预计, “双轴”材料可以大大提高激子的解离和电荷的输运效率.图5 D-A结分子以有序方式排列形成的“双轴”材料2.5级联结构器件级联电池是一种串联的叠层电池, 是将两个或以上的器件单元以串接的方式做成一个器件, 以便最大限度地吸收太阳光谱, 提高电池的开路电压和效率. 众所周知, 材料的吸收范围有限, 而太阳光谱的能量分布很宽, 单一材料只能吸收部分太阳光谱能量. 另外, 由于电池中未被吸收的太阳能量可使材料产生热效应, 使电池性能退化. 级联电池可利用不同材料的不同吸收范围, 增加对太阳光谱的吸收, 提高效率和减少退化. 级联电池的基本结构如图6所示, 一般地器件单元按活性材料能隙不同采取从大到小的顺序从外向背电极串联, 即与电池非辐射面(背面)最近的结构单元, 其活性材料的能隙最小[54]. 由于串联的缘故, 级联电池的开路电压一般大于子图6 两个子电池组成的级联器件结构示意图中国科学B辑: 化学 2008年第38卷第11期单元结构的(理想情况下, 总的开路电压等于各个子单元开路电压之和[55]), 其转换效率主要受光生电流的限制. 因此, 级联电池设计的关键是合理地选择各子电池的能隙宽度和厚度, 并保证各个子电池之间的欧姆接触, 以达到高转换效率的目的.2007年Science报道了一个采用窄能隙结构单元作为第一层的级联器件[55]. 器件最大的特色是在两个子电池单元之间使用以溶胶方法制备的透明TiOx 作为连接层. 该工作报道的结果是目前有机太阳能电池的最好水平之一(AM1.5辐照)：短路电流J sc = 7.8 mAcm−2, 开路电压V oc = 1.24 V, 填充因子FF = 0.67, 功率效率ηp = 6.5%.2.6 器件结构的界面修饰太阳能电池的性能可通过电极修饰或其他界面修饰得到不同程度的改善.电极修饰的目的, 通常是使其功函数与给体材料的HOMO或受体材料的LUMO相匹配, 以提高电荷引出效率[56]和阻挡激子和非收集载流子的传输[15,57,58]. 普通ITO阳极可用氧等离子体处理[59,60], 又可在其上旋涂PEDOT: PSS {poly (3,4-ethylene- dioxythiophene): poly(styrenesulfonate)}[56], 也可进行自组装单分子层修饰[61]、以及过渡金属氧化物薄膜修饰[62]. 本组的Ling等将金纳米粒子修饰于ITO表面后, 制备有机太阳能电池. 由于修饰后的ITO电极具有高导电性和透光性、其功函数与给体材料HOMO 更加匹配以及电极表面更加平整, 使得空穴载流子的收集效率大大提高, 器件的性能得到提高[63]. 较为普遍的阴极修饰是金属氟化物[64], 其他的修饰材料包括TiOx[65]、BCP (bathocproine[66])、Alq {tris (8-hydroxy-quinolinato) aluminum}[67]、PEO {poly ethylene oxdide,[68]} 等.界面修饰的一个例子是在器件中引入光隔离层, 如图7所示, 在电池的活性材料层与背电极之间插入光隔离层, 能够将光的空间分布与活性层的位置相匹配, 增加光的吸收, 有助于提高器件的光电流[27, 69]. Lee 等人报道, 以溶液方法制备的TiOx光隔离层应用于聚合物器件中, 可得到很好的效果. 在AM1.5光照下, I sc、V oc、FF、ηp分别由原来的7.5 mA cm−2、0.51 V、0.54、2.3%增加至11.1 mA cm−2、0.61 V、0.66、图7 含有光隔离层的有机太阳能器件结构5%[27].3光伏活性材料在有机太阳能电池中, 决定光电转换效率首要三个因素是材料对太阳光谱的吸收、激子解离和自由电荷的传输. 因此, 在活性材料的设计和选择时要兼顾这些特点, 才能获得高性能的电池器件.3.1 有机材料的光吸收通常地, 有机材料具有光吸收能力强、吸收光谱窄、材料能隙随共轭长度的增大而减小的特点. 如图8所示, 将太阳光AM1.5辐射光谱与不同能隙材料对太阳光的最大吸收曲线进行比较, 可知窄能隙材料(吸收峰大于600 nm)有利于太阳能的吸收. 有机材料的吸收一般在可见光区域, 因此大部分材料对太阳的吸收利用不超过40%, 这是有机太阳能电池转换效率比无机太阳能电池低的原因之一. 加之由于有机材料迁移率太小, 限制了有机光伏器件活性层的厚度在几百纳米左右, 使光吸收能力进一步减少.图8 不同吸收波长的材料对太阳AM1.5的最大吸收比例(-•-), 实线为太阳AM1.5的辐射光谱密保秀等: 基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展因此提高活性材料的摩尔吸收系数、降低能隙和使材料有较宽的吸收光谱是提高材料对太阳光吸收的有效方案, 这方面的工作有大量的报道[70~73]. 我们设计合成出基于芴基的低能隙共聚物, 将其作为给体制备器件, 得到很好的性能(ηp = 2.2%)[74] . Wong 等报道, 在具有D-A结构的材料中引入多电子铂原子, 可增强材料的D-A相互作用, 导致较强的电荷转移态(CT)跃迁, 因此材料能隙较低, 有利于提高器件的光伏效应(ηp = 2.5%)[75]. Tian等人的工作也证明了当以具有强烈给体-受体结构的分子作为给体的本体异质结器件可获得相对高的效率[76]. 我们将具有电子受体特性的silole分子中引入了具有电子给体特性的咔唑基后形成的给体-受体型分子表现出光伏特性, 首次表明具有σ*-π*共轭特性的Silole衍生物在太阳能电池材料方面有一定的潜力[77].针对提高太阳光谱的吸收问题, 除了通过分子结构的功能设计来提高活性材料自身吸收外, 还可以在器件结构中引入具有强吸收特性的材料. 利用它们吸收部分太阳能量, 通过激子扩散将其转移给活性材料, 在活性材料上发生激子解离过程产生电流[78~80].3.2有机材料的载流子输运有机太阳能电池的短路电流较低的原因, 在很大的程度上是由于材料载流子传输能力较低所引致的光电流损失[81]. 由于有机材料中如氧等陷阱普遍存在, 迁移率一般低于10−4 cm2V−1S−1[26]. 载流子迁移率低, 电荷向电极输运时由于复合导致的电流损失大. 因此设计具有高迁移率的活性材料是提高有机太阳能电池性能的另一条途径. 另外, 在活性材料中掺入载流子输运能力高的纳米材料也可提高器件效率. 例如双层碳纳米管对有机材料的掺杂可以增加空穴传输能力, 从而提高器件的性能[82]; 在基于P3OT:C60的本体异质结器件中掺杂金或银纳米粒子, 由于提高了导电率, 器件的效率可增加50%~ 70%[83].3.3 有机光伏活性材料介绍异质结界面处的光诱导电荷转移, 是有机太阳能电池工作的主要机制. 为了形成具有电荷分离作用的异质结, 材料体系的选择非常重要. 基本的要求是给体具有较强的给出电子能力, 受体具有较强的接受电子能量, 且给体与受体的能级要匹配. 本节主要总结有机太阳能电池材料的最新进展.3.3.1C60及其衍生物富勒烯(即C60)是由60个碳原子组成的球状分子. 一个C60分子, 利用电化学方法, 最多可以被6个电子还原[84]. 缘于球状共轭结构所产生的特殊能级结构, C60具有非常好的光诱导电荷转移特性. 即C60分子中轨道与自旋的耦合常数大, 单线态与三线态的能级相差很小(E ST = 0.15 eV[85]), 因此电子由单线态到三线态的系间窜越(ISC)速率快(τISC = 650 ps[86,87]), 同时ISC过程的效率也很高(96%[87]). 因此, 在给体和C60的界面, 被C60接受的电子可以快速高效地由单线态转移到三线态, 防止了电子再由C60分子回到给体的逆过程, 从而提高了电荷转移效率(接近100%[8]). 同时, 由于三线态具有较长的寿命(大于1μs), 使基于C60的太阳能电池中电子扩散长度较长(80-140 Ǻ[88]), 有利于电荷传输和收集[13,18], 从而可提高电荷引出效率. 图9为有机太阳能电池中一些C60及其衍生物的结构.图9 有机太阳能电池中一些C60及其衍生物的结构当在C60球体中央再加入一个六角圆环, 可形成C70, 形状与一个英式橄榄球类似. C70与C60一样, 都是很好的电子受体. 它们既可以与小分子匹配(包括酞菁及其衍生物和噻吩寡聚物等), 也可以与共中国科学B辑: 化学 2008年第38卷第11期轭聚合物匹配(包括聚噻吩和聚苯亚乙烯衍生物等),形成电池的活性层. 虽然C60较小的溶解性限制了它在以溶液方式加工的聚合物太阳能器件中的应用,但它在真空中可以稳定地蒸镀, 可用来制备双层异质结器件. 经过改良的C60, PCBM ([6,6]-phenylC61-butyric acid methyl ester) 具有较好的溶解性[89],被广泛地应用于聚合物器件中. 除PCBM外, 图9中的材料1是见诸报道的另一种具有高溶解性的C60类化合物, 基于该材料的器件ηp高达4.5%[90]. 我们对C60进行了修饰, 得到一系列包括PCBM在内的衍生物(PCBM, PCBB等), 以它们为受体, MEH-PPV为给体, 进行了太阳能电池的研究. 结果显示, 新材料的溶解性可随分子中烷基链长的增加而提高, 其中PCBB具有比PCBM优越的光敏特性, 得到的器件性能较好[91]. 将PCBM中的苯基以噻吩基取代得到ThCBM材料, 该材料具有与PCBM类似的电子输运特性, 基于该材料的本体异质结太阳能电池器件ηp可达3.0%[92]. 值得注意的是, 材料C60及其衍生物在可见-近红外区的光吸收很小, 以它们为受体材料设计器件时, 应选取材料吸收性能较强的给体材料, 或以其它的方法提高对太阳光的吸收.3.3.2噻吩类材料噻吩类材料是有机太阳能电池中广泛研究的给体材料, 包括聚合物[27,55,70,93,94]、小分子[95]、寡聚物[96-98]以及含有过渡金属的聚合物[75]等. 噻吩材料作为给体, C60或者衍生物作为受体是目前最好的有机太阳能电池体系, 有大量的研究工作[93,94,97,99], 目前光电转换效率最好的有机太阳能器件是由噻吩类给体与C60及其衍生物受体构成的体系, 见表1. 除了C60及其衍生物, 噻吩类材料作为给体(图10), 通常还会与PDCDA[96]、MEH-CN-PPV[17]、PV[100]等其他受体构成活性材料体系; 也与无机材料构成有机无机杂化活性材料体系[26,82,101~103].噻吩类材料最大的特点是可以通过“头尾”连接形成有序性薄膜, 从而具有较高的迁移率. Yang 等人验证当活性层薄膜的生长速度很慢时, 器件效率可较高(ηp=4.4%)[81]. 这是由于聚3-烷基噻吩(P3HT)的链状结构, 倾向于通过链之间的堆叠形成自组织的二维薄膜. 生长速度慢时, 自组织程度高, 薄膜迁图10 作为给体的噻吩类太阳能电池材料移率高. 另外, 热处理可以改善含噻吩类活性材料的薄膜形貌和增加结晶度等, 使ηp提高到5%[94] 和 6.1%[30]. 溶剂对噻吩薄膜性能也有一定的影响[104,105]. 当噻吩类材料由线性变为枝化结构时, 膜的有序性降低导致导电性降低, 所构成太阳能电池器件的效率大大降低[106].Liu等的研究发现, 含末端烯烃的噻吩小分子(图10, VnT)与苝衍生物PTCDA制备双层异质结器件时, 表现出很高的开路电压(2.07 V)[96]. 文中认为, 由于VnT中烯烃中的α-氢原子与PTCDA之间存在氢键, 使给体和受体之间的电子转移作用增强并消除了亚导带陷阱. 同时, VnT/PTCDA体系的有序性。
