窄带隙聚合物太阳能电池用苯并二噻吩单元的设计制备(3)
目前光敏活性层中的共轭聚合物主要可分为：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[12]，在最近十几年的研究发现，该类聚合物性能稳定，易于合成，在光伏太阳能电池方面有着优异的性能。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，同时也是一个可发蓝光的电致发光材料。早在1999年，C. Sentein等人[13]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[14]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[15]，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。
PPVs及PThs的光学带隙Eg在2.0-2.2eV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，窄带隙聚合物这一方向越来越受到重视。
1.2 苯并二噻吩类窄带隙聚合物的研究现状
1.3 聚合物太阳能电池光电转换效率的主要影响因素
聚合物太阳能电池的光电转换过程主要包括如下6个步骤：吸收入射光---产生激子---激子扩散---电荷分离---电荷传输---电荷收集[28,29,30]。在以上5个步骤中均可能存在能量的损耗，如何降低各部分的能量衰减是提高聚合物太阳能电池光电转换效率的主要研究方向。从光敏活性层材料的角度出发，对各个步骤影响因素分析。
1.3.1 吸收入射光与产生激子
聚合物太阳能电池在太阳光照射下，共轭聚合物吸收光子，被激发的电子从聚合物HOMO能级跃迁到LOMO能级，形成束缚的电子与空穴对。这一步的激发效率决定于吸收光子的多少。也就是说提高活性层对太阳光的吸收可以增大聚合物的光电转换效率。太阳光的辐射能量分布显示，在大约700nm处的太阳光最强，为了更多的吸收能量，应使活性层的吸收光谱与太阳能光谱相匹配，并且吸收谱带应尽可能覆盖整个可见光区域。而目前最经典的P3HT/PCBM材料的吸收峰也只在550nm左右，聚合物的吸收光谱与太阳能光谱不匹配是聚合物太阳能电池光电转换效率的主要影响因素之一。
1.3.2 激子扩散与电荷分离
聚合物太阳能电池吸收光子后产生激子，需要经过一定的路径，传输到合适的位置，即需要扩散到活性层的异质结界面处才能发生有效的电荷分离。激子在扩散过程中发生复合，或激子难以传递到界面处，都不能贡献于光电转换。聚合物中激子扩散效率和电荷分离效率也是影响光电转换效率的主要因素之一。
1.3.3 电荷传输与收集
在活性层界面上，当激子成功分离成共轭聚合物HOMO能级上的空穴和受体LOMO能级上的电子后，在内建电场的作用下，向两级作有序迁移形成光电流。相对于传统无机半导体材料，电子与空穴是半导体能带中的自由载流子，具有高的迁移率，而共轭聚合物中的载流子迁移以跃迁的方式进行传输，这种传输方式的效率较低。这类载流子易被聚合物中的杂质或结构缺陷所捕捉，传输效率进一步降低。因此载流子迁移率低是导致聚合物太阳能电池光电转换效率低的又一重要原因。
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