三唑基喹喔啉类窄带隙聚合物设计与合成(3)

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太阳能电池结构图

图1.1 太阳能电池结构图

图1.2 PEDOT:PSS化合物结构图

1.4 聚合物太阳能电池的发展历程简介

1986年Tang等[17]提出了有机給体/受体异质结型太阳能电池研究的新思路，使其器件的光电转换效率提高到接近1%。

1993年Sariciftci等[18,19]研究发现了共轭聚合物与C60之间的光诱导电子转移现象，提出了共轭聚合物/富勒烯异质结型太阳能电池，基于其结构的器件光电转换效率超过了1%，这才使聚合物太阳能电池得到学术界的关注。

1995年，Heeger等[20]首先提出了本体异质结（BHJ）型结构，活性层由共轭聚合物给体和可溶性受体共混组成，接触面积大，有利于载流子的运输扩散。但由于共轭聚合物的吸收谱带较窄，电荷载流子迁移率低，导致PSC的光电转换效率仍然较低。

目前对于PSC的研究，主要集中在本体异质结(BHJ)型有机太阳能电池上，图1.1所示为聚合物太阳能电池的器件结构。聚合物太阳能电池由共轭聚合物（电子给体材料）和PCBM（C60的可溶性衍生物，电子受体）的共混膜（光敏活性层）夹在ITO透光电极（正极）和Al等金属电极（负极）之间所组成。太阳能电池的工作原理是基于半导体的异质结界面附近的光伏效应，所以太阳能电池又被称为光伏电池。当光子入射到光敏材料表面时，作为电子给体材料的共轭聚合物吸收光子产生激子即电子-空穴对，激子迁移至聚合物/PCBM界面处将电子转移给电子受体，从而实现电荷的分离，分离的电子沿PCBM向负极传递，空穴沿聚合物向正极传递，从而产生电流。光敏活性层作为聚合物太阳能电池的主要组成部分，聚合物种类繁多，可设计性强，这些优点使共轭聚合物的结构和性能改进成为PSC研究重点之一。

目前光敏活性层中，共轭聚合物分类主要如下文所示：

（1）聚苯撑乙烯撑类(PPVs)：自从1990年剑桥大学卡文迪许实验室成功合成出PPV以来[21]，在最近十几年的研究表明，该类聚合物性能稳定，合成简单，在光伏太阳能电池方面的应用有着优异的表现。

（2）聚乙烯基咔唑(PVK)：聚乙烯基咔唑是一个典型的光导聚合物，同时也是一个可发出蓝光的电致发光材料。早在1999年，C. Sentein等人[22]就用PVK作电子给体，用染料分子敏化后，发现其同样有光伏效应，但光电转换效率低。

（3）聚苯胺及聚酰亚胺类：聚苯胺早期主要是被用做导电聚合物来加以研究及应用的。R. K. Onmori等人[23]于2001年发现当用HCl(0.5M)掺杂聚邻甲氧基苯胺后，夹在ITO与A1之间，也表现出了光伏效应。由于聚酰亚胺的共轭性较差，其电荷传输的性能受限制，效率较低。

（4）聚芴系列共聚物：聚芴及其共聚物是一类优异的电致发光材料，当其主链含有芳胺共聚单元(PFB)后，其表现出较强的空穴传导能力[24]，在2.5×105 V cm-1的场强下达10-4 cm2 V-1s-1。当其与含有苯并噻二唑共聚单元的聚芴(F8BT)构成本体异质结后，表现出了光伏效应。

（5）聚噻吩类(PThs)：这是一类研究比较充分的聚合物光伏给体材料，主要是含有长链取代烷基的聚噻吩。

由于太阳光的最大波长在700 nm左右，对应的最低能量约为1.77 eV。因而要最大限度地利用太阳能，聚合物电子给体材料的吸光范围要尽可能的宽，降低聚合物的光学带系（Egopt）获得窄带隙的聚合物电子给体材料是扩展吸收范围的有效方法。PPVs及PThs的光学带隙Eg在2.0-2.2 eV之间，不能很好地与太阳光谱匹配。为了使聚合物在可见光区域内具有宽的吸收，提高载流子迁移率，设计合成与太阳光谱能较好匹配的窄带隙聚合物，以期能达到提高光富集效率，提高光电转换效率的目的，窄带隙聚合物这一领域越来越受到广大研究者的重视。