图1.1 双层异质结有机太阳能电池结构示意图与活性层材料的结构式

1992年，A. J. Heeger等[7]以共轭聚合物与富勒烯（C60）分别作为电子给/受体材料，发现两种材料之间可发生光诱导下约为50 fs的超快速电荷转移，而在这个转移过程中激子的分离效率近乎100%。但是，这种给/受体材料平行排列的吸光层厚度太大，不利于器件对光子的吸收，从而限制了器件的能量转化效率。1995年，A. J. Heeger等[8]将共轭聚合物MEH-PPV和富勒烯（PC61BM）分别作为给/受体材料进行共混，制备了第一个有机本体异质结（Bulk-Heterojunction，BHJ）器件。如图1.2所示，活性层中形成了交联的互穿网络结构，使给/受体材料的接触面积得到有效增加，从而提高了激子的分离效率，该器件的PCE达到了2.9%。

图1.2 本体异质结器件的结构示意图及MEH-PPV和PC61BM的结构式。

基于此，对有机太阳能电池的研究登上了一个新的台阶。有机光伏器件在不断地发展，PCE也不断地提高，目前报道过的单结与双结有机太阳能电池都已将效率提高到了13%以上。

1.2.2 有机太阳能电池的基本原理

图1.3 有机太阳能电池的工作原理示意图。

本体异质结有机光伏器件在光照条件下的工作原理如图1.3所示，总共为五个步骤：（1）激子的形成；（2）激子的扩散；（3）激子的分离；（4）自由电子与空穴的传输；（5）电荷的收集[9]。

1.2.2.1 吸光材料吸收太阳光形成激子

活性层中的有机半导体材料吸收太阳光中的光子后，电子受到激发从HOMO（最高占据分子轨道）能级跃迁到LUMO（最低未占分子轨道）能级，成为自由的电子，而电子离去后留下的空轨道形成空穴，这一对相互束缚的电子-空穴称之为激子。器件对太阳光吸收的效率取决于活性层中有机半导体材料的光学带隙和吸光系数以及活性层的厚度。只有当入射光的光子能量大于或等于吸光材料的光学带隙时，即达到了电子跃迁所需要的能量时，太阳光光子才会被吸收。因此，设计窄带隙的有机半导体材料是提高器件吸光效率的一个重要策略。

1.2.2.2 激子扩散至给/受体界面

对于激子来说，由于其呈电中性，不会受电场的影响而运动，但是会在给/受体材料中形成后进行扩散，扩散的距离通常为10 nm左右[10]。如果激子在这个扩散范围内没能到达给/受体界面，则会从激发态通过一定方式回到基态，这个过程称之为单分子复合，一旦激子发生了复合，就没有办法再进行下一个步骤。因此，在构筑活性层时应合理调控活性层薄膜的形貌以及厚度，增加给/受体材料之间的接触面积，同时还要保证给/受体材料相分离尺寸小于激子的扩散长度，这样才能提高激子到达给/受体界面的概率。

1.2.2.3 激子在驱动力作用下在给/受体界面分离

当激子到达给/受体的界面时，在驱动力（驱动力来自于给/受体材料之间的能级差ΔEHOMO或ΔELUMO）的作用下分离成空穴与自由的电子。一般来说，给/受体材料之间的能级差需大于0.3 eV[11]才能保证激子的有效分离，因此在设计给/受体材料时需要充分考虑互相之间的能级差值。

1.2.2.4 自由电子与空穴的传输

在激子发生分离形成空穴与自由电子后，在电场力的作用下，空穴与自由电子会分别沿着P型电子给体材料和N型电子受体材料向阳极和阴极传输。在这个传输过程中，如果某些相区里不是连续的给受体材料，那么会造成器件的迁移率过低，同时空穴与自由电子会有可能发生再复合，这个过程被称之为双分子复合；如果相区中还含有其它化学杂质，也会干扰载流子的迁移。针对这些问题，首先要保证材料的纯度，另外常用解决相区不连续的方法是对活性层进行形貌的调控和优化，包括热退火、溶剂蒸气退火处理以及使用混合溶剂或者添加剂等方式。 基于二噻吩并噻咯的D1-A-D2-A-D1型给体小分子的合成与性能研究(3):http://www.chuibin.com/cailiao/lunwen_206441.html