有机太阳能电池的概述及氟材料在其中的应用

　　有机太阳能电池概述有机聚合物太阳能电池器件基本 结 构 为：ITO/ PEDOT∶PSS/共轭聚合物：富勒烯及其衍生物/LiF/ Al。这类太阳能电池称为本体异质结 BHJ太阳能电池［2］。本体异质结 BHJ是指活性层是由给体和受体均匀混合在一起形成的混合膜，这大大增加了给体/受体界面的面积，减小了给体表面与受体表面之间的距离，能在非常短的距离内使得激子得到有效分离，有利于电子与空穴的传输。它是到目前为止，构建聚合物太阳能电池最有效的体系结构。目前，根据有机太阳能电池的工作原理［3］，研究人员对有机太阳能电池进行了多方面的研究，其 中 以 BHJ太阳能电池表现出了较好的性能，在这类电池中富勒烯及其衍生物（如 PC61BM，PC70BM）是应用最普遍的受体材料。下面主要以性能好的 BHJ型太阳能电池为例，从材料的设计和制备角度出发，设计合成以共轭聚合物为电子给体，富勒烯衍生物 PC61BM 为电子受体。结合氟原子的特殊性，将其作为吸电子基团引入到共轭聚合物的受体单元中，以调变聚合物的光学带隙和 HOMO 能级、LUMO 能级，使其与富勒烯受体更好地匹配混溶，形成纳米级的共连续互穿网络。此外，活性层与电极之间界面的特性，也是影响 BHJ有机太阳能电池性能的重要因素。因含氟物质有优异的耐候性、耐久性等特性，所以考虑将含氟物质引入二者之间界面修饰层中，使器件性能提高。 2 含氟共轭聚合物作为给体材料的研究含氟有机分子表现出了一系列独特的功能，如良好的热稳定性和氧化稳定性，抗降解性能强［4］，疏水性和疏油性的提高［5］。这些特殊的功能与氟原子独特性　能相关：1）氟是电负性最大的元素;2）氟是最小的吸电子基团。因此，含氟共轭材料已在有机场效应晶体管（OFET）［6］和有机发光二极管（OLED）［7］中得到探索和应用。但是，含氟聚合物在有机太阳能电池中，特别是在本体异质结（BHJ）聚合物太阳能电池中的应用却很少［8］。要增强聚合物太阳能电池的性能，显著提高光电转化率，需要加强对共轭聚合物的研究。为了增加光的吸收，增加短路电流（Jsc），共轭聚合物应是低带隙的，但是狭窄的带隙又损害了开路电压（Voc）。所以， 要使 BHJ型 太 阳 能 电 池 器 件 的 整 体 能 量 转 化 效 率 （PCE）提高，需要在带隙尽量低且保持恒定的同时增加开路电压，共轭聚合物的 HOMO 和 LUMO 的能级也必须同时下降。因此，这要通过在聚合物中添加吸电子基团来实现。以聚噻吩衍生物为例，不含缺电子侧基基团的聚噻吩衍生物的 HOMO 值为-4.76eV。当向聚合物骨架中引入含酯基的吸电侧基基团后，衍生物的 HOMO 值降到了-5.1eV。相应的开路电压由原来的0.6V 上升到了0.8V ［9］。 2.1 含氟苯并噻二唑在有机太阳能电池中的应用目前，采用给体-受体战略研究含氟低带隙聚合物结构的光伏性能是创造新的 BHJ型太阳能电池聚合物的方法之一。含氟苯并噻二唑作为含氟共轭聚合物在 BHJ型太阳能电池中得到了研究。对有机太阳能电池的给体单元与受体单元的特性进行研究，发 现 “弱 （D）-强 （A）”的 结 构 是 效 率 最 高的［10］。2，1，3-苯并噻二唑（BT）作为受体，然后用2个氟原子取代 BT 单元上的2个氢原子。氟取代后，BT 单元苯环上的电子密度降低，所得聚合物的 LUMO 和 HOMO 能级将减少［11］。而且，取代前后的聚合物具有相似的尺寸，将不会在相邻单体之间增加额外空间位阻。此外，氟化后 BT 单元两侧的2个烷基化噻吩基单元，可以增加聚合物的溶解度［12，13］。将苯［1，2- b∶4，5-b’］并二噻吩（BnDT）作为给体，首先因为它是弱给体，能使所得聚合物维持低的 HOMO 能级［14］; 其次，它具有相当好的稳定性，其结构的对称性和刚性稠芳香体系可以提高电子的离域，分子间的作用力可以提高电荷迁移率［15］。最后，将二者聚合，制备了新型给体-受 体 共 轭 聚 合 物：PBnDT-DTffBT（如 Fig.1 所示）。将PBnDT-DTffBT 与无氟取代的 PBnDT-DTBT 进行了实验研究，比较氟取代前后聚合物的各种性能。采用密度泛函理论（DFT）可以评估氟原子对 PBnDTDTffBT光电性质的影响。而且，从 PBnDT-DTffBT 的循环伏安图中可以估测它的 HOMO 和 LUMO 能量水 平。 若 以 PBnDT-DTffBT/PC61BM 作 为 BHJ 结构太阳能电池的活性层，进行实验研究［16］，结果表明 PBnDT-DTffBT 具有高的开路电压为0.91V，相当高 的 Jsc为 12.9 mA/cm2，而 且 FF 值 为 0.61，在 BHJ结构太阳能电池中整体效率为7.2%。