一．有机/聚合物太阳能电池的研究背景及进展

随着全球经济的快速发展，人类对能源的需求迅速增加，而由此造成的环境污染以及能源的短缺问题，使得世界各国都开始关注能源问题，因此发展可再生能源和探索新能源是目前急需解决的问题。太阳能作为一种分布广泛、环境友好且取之不尽用之不竭的新能源，得到了世界各国的关注，因此广大科研工作者更加的关注于如何开发和利用太阳能。目前利用太阳能电池将光能直接转化为电能是最行之有效的利用太阳能的方法，其中研究和应用最广泛的主要是基于晶硅系列的太阳能电池，世界各国均投入大量人力与物力致力于该领域的研究。而目前基于晶硅太阳能电池的效率已经超过了25%，然而由于其制作成本昂贵以及带来的环境污染限制了其广泛的商业应用。

近年来由于有机/聚合物太阳能电池相对于晶硅太阳能电池来说具有质量轻、生产成本低和可制作柔性器件等独特优势成为光伏领域研究开发的热点之一[1, 2]。而有机半导体材料相对无机半导体材料来说具有可溶液制作、制作成本低、性能可以调节和控制以及透明度高等优点，使得有机半导体材料得到了研究者们的关注与研究。另一项重要的突破是研究者们发现了一个新的吸电子基团 C60及其衍生物 PCBM，由于它们具有强的吸电子能力和高的电子迁移率使其成为了有机光伏材料中最主要的 n-型分子。因此有机太阳能电池经过从无机异质结太阳能电池到聚合物/C60异质结的光伏器件再到聚合物/富勒烯本体异质结电池等三大研发过程，到目前为止聚合物/富勒烯本体异质结太阳能电池是研究最多的一种器件结构。2009 年，Y. Yang 和 L.P. Yu 等课题组设计并合成基于苯并二噻吩和噻吩并噻吩的共轭共聚物 PBDTTT 给体材料，使其能量转换效率高达 7.73%[3]。2010 年，Solarmer 公司宣布其聚合物太阳能电池效率达 8.13%，同年 Konarka公司宣布电池效率达 8.3%。2011年，Yong Cao 课题组采用醇溶性高分子作阴极缓冲层，将器件效率提高到 8.37%[4]。2012年，Y. Yang 课题组报道了叠层聚合物有机太阳能电池，能量转换效率高达 8.62%[5]，他们继而又报道了叠层聚合物太阳能电池 (PSCs) 的能量转换效率 （PCEs） 为 10.6%[6]，是目前文献所报道的最高值。据文献报道基于小分子的本体异质结太阳能电池 （SMBHJ） 所达到的最高效率为 7.38%[7]，染料敏化太阳能电池的 PCE 所报道的最高值为12.3%[8]。等等以上文献所报道的效率，虽然无法与传统硅太阳能电池相媲美，但是已经接近实用化门槛。相信在不久的将来，实现 15% 的能量转换效率将成为现实。

二．有机/聚合物太阳能电池的结构及原理

有机/聚合物太阳能电池，由阳极(高功函透明ITO)、有机/聚合物活性层和阴极（低功函材料：Ca、Mg、Al等）组成(如图1所示)。根据光活性层的结构可以将有机/聚合物太阳能电池分为双层异质结结构(给体和受体分别处在两层)、本体异质结结构(有机/共轭聚合物电子给体和受体共混)等。其中，本体异质结结构由于制备相对简单、转换效率更高而被广泛研究。

太阳能电池的工作原理包括激子产生、激子扩散、电荷分离、电荷传输和收集等过程。当光通过透明ITO阳极照射到电池时，活性层内给体材料吸收光子，其HOMO能级上的电子被激发到LUMO上，产生激子(电子-空穴对)，形成的激子在给体内扩散，当激子扩散到受体材料的界面处时，发生电荷分离，激子的电子转移到受体的LUMO上，此时该电子与原给体上的空穴由于库伦力的相互作用，产生亚稳态的结构，在内建电场作用下，亚稳态的电子-空穴对分离成自由的载流子，之后空穴和电子分别沿着给体和受体向电池正极和负极传递，并被相应电极收集，完成光电转换的过程，从而形成光电流和光电压，对外电路供电。

图1 有机/聚合物太阳能电池结构示意图