摘要：为了应对能源短缺和环境污染的问题，全世界许多国家都大力发展绿色新型能源，风力发电、光伏发电是目前研发的重点。光伏发电也就是太阳能发电，其将光能转化为电能，是一种绿色环保的新能源。在光伏发电技术中对高校聚合物光伏材料的研究是未来光伏发电技术的发展方向，本文就是对我国在高校聚合物光伏材料的研究进展进行简要说明，希望能为今后聚合物光伏材料的研发提供参考。
关键词：聚合物；光伏材料；太阳能电池
引言：光伏发电是解决目前全世界面临的能源危机和环境污染的有效途径之一，其能将光直接转化为日常生活中使用的电能，是一种纯净的新能源，因此全世界许多国家都大力研发光伏发电技术。全世界第一个太阳能电池是19世纪50年代被研制出来的，其能量转换率为6%。从此太阳能电池开始被广泛研究。太阳能电池分为无机太阳能电池和有机太阳能电池：无机太阳能电池具有生产条件苛刻，生产成本过高的缺点，虽因一些扶持政策被使用较多，但其性价比较低；有机聚合太阳能电池具有材料源充足、质量轻、制备方法简单的优点，进而近年来被世界各国重点研究。下面就对有机聚合太阳能电池中的聚合物光伏材料的研究进展做简单介绍。
一、聚合物太阳能电池与给体材料的介绍
（一）聚合物太阳能电池的介绍
聚合物太阳能电池的全称为：富勒烯本体异质结型薄膜太阳电池，这种太阳能电池在1995年被美国加州大学的Heeger首次提出。其通过共轭聚合物作为电子给体，苯基C61丁酸甲脂（PCBM）作为受体，透明导电ITO玻璃电极作为阳极，电子给体材料和电子受体材料组成共混膜，共混膜将阳极和金属阴极夹在中间，最终形成聚合物太阳能电池。聚合物太阳能电池从首次研制开始，到之后20多年的研究中，其电子受体材料从苯基C61丁酸甲脂（PCBM）扩展为共轭聚合物受体和无机半导体纳米晶材料。但是这种聚合物太阳能电池目前还无法与无机太阳能电池的功效相比，主要还存在着能量转换效率低的问题。因此，这也是目前该科研领域的研发重点，目的是解决太阳光利用率低、器件开路电压偏离理论值、电荷载流子迁移率低等问题。近些年来，从研究中还找到了一些适合其电子结构和良好光电特性的材料，这些材料已经被证实可以帮助改进太阳光利用率低的问题。
（二）聚合物太阳能电池的给体材料介绍
通常聚合物半导体材料的ＨＯＭＯ能级与ＬＵＭＯ能级之差为2eV左右，而聚合物太阳能电池的开路电压为0.5-1V，这就是目前器件开路电压方面的问题来源。有相关报道显示开环受活性层形态影响，也受到阳极的影响。并且通过对7种类似的聚噻吩衍生物与受体材料组成的共混膜的聚合物太阳能电池进行研究，得出了其开环电压与给体材料的阳化电势存在线性相关性的结论。
二、高效聚合物给体材料的研究进展
（一）萘二并噻二唑共轭聚合物
该聚合物在苯并噻二唑单元的基础上，找到了一种新型受体单元构筑的线性共轭聚合物，其以萘二并噻二唑为主链，能有效地提高共聚物PBDT-DTNT的芳环共平面性，其能促使分子链之间的堆积，能量转换效率超过了传统的6%。（如图1所示）。
图1为萘二并噻二唑为主链的共轭聚合物
（二）萘二并三唑共轭聚合物
苯并三唑为主链的共轭聚合物，其是一种新型杂环受体单元—萘二并三唑（如图 2所示），该单元与其他烷基链的苯并双噻吩给体单元聚合后得到一系列中等带隙（约 1.9 eV）共聚物，其HOMO能级约为5eV，这种聚合物不需要使用溶剂及后处理技术，制备成聚合物太阳电池后的能量转换率达到7%左右。光伏给体聚合物PCDTBT12是通过烷氧基、咔唑和二噻吩取代苯并噻二唑形成的（如图3所示），烷氧基能让噻吩单元产生扭转，此时会出现吸收蓝移，其带隙变为2 eV，HOMO 能级为5.6 eV，10-3级别有较高空穴迁移率，该材料与聚咔唑亲水聚合物有较好的结构相似亲和力，其能实现0.98V的高开路电压与6-6.5%的高能量转换率。相比之下P3HT的开路电压低于PCDTBT12 开路电压，所以PCDTBT12适合作为叠层电池的活性层材料。倒置型光伏电池使用PCDTBT12作为活性层材料时，其与ZnO 界面层的空气稳定性相仿，同时PCDTBT12作为活性层比正装光伏器件的稳定性要好很多，因此这种亲水聚合物阴极界面修饰具有较高的稳定性和效率，对于倒置型光伏电池提供了一个研发方向。
图2为苯并三唑及萘二并三唑单元分子结构
图3为 PECz-DTQx 和 PCDTBT12 的聚合物分子结构
三、高效聚合物受体材料的研究进展
（一）非PCBM结构的单加成富勒烯受体材料
在聚合物受体材料方面的研究中，发现了一种单加成富勒烯受体材料，这种双烷氧基苯 C60 富勒烯衍生物DPM-12，其LUMO 能级与PCBM结构的能级相似，但具有更好的溶解性，其Voc 提高 了100 mV，但是存在着电子迁移率偏低的缺陷。为了提高富勒烯衍生物DPM-12的电子迁移率，将富勒烯衍生物的碳链长度从C12变为C6，最终合成了富勒烯衍生物DPM-6，DPM-6的电子迁移率有了显著提高，电能转换效率提高到了2.6%，比 P3HT：PCBM效能稍低一些。在此的基础上，又合成了二氢化萘类富勒烯衍生物F8，其的 LUMO 能级与 PCBM 相似，但衍生物F8易溶解于CHCl3 中，溶解度>30mg/mL，使用该材料制成的光伏器件，效率为4.2%，与P3HT：PCBM相比，有了明显提高。通过对不同富勒烯吡咯烷衍生物 FP的研究中的得出，在苯环上通过氟、氯、溴或三氟甲基等吸电子基团替代氢，其开路电压和电池效率偏低；甲基或甲氧基等给电子基团替代苯环上的氢，能有效提高开路电压，进而提高电池的效率。当进一步增加苯环上的甲氧基的个数时，其效率会出现降。研究中还发现在苯环上的取代基取代位点不同也会影响到器件效率，最后得出结论单加成富勒烯作为受体材料时，要注意取代基的使用种类、添加数量和取代位点等因素（如图4所示）。
图4为单加成富勒烯受体材料类的分子结构
（二）非PCBM结构的双加成富勒烯受体材料
基于单加成富勒烯受体材料的研究基础，对双加成富勒烯受体材料进行了研究，与单加成富勒烯衍生物相比，双加成富勒烯衍生物对减弱富勒烯碳笼上电子共轭和离域有很好的效果，并且提高了LUMO等级和电能转换效率。目前双加成富勒烯衍生物研究方面，合成出了一种茚双加成 C60富勒烯衍生物 IC60BA，IC60BA的起始还原电位与PCBM对比有明显负移，IC60BA 的 LUMO 能级有所提高，LUMO 能级具体提高了0.17 eV，在器件开路电压方面提高了0.84V，能量转
换率约为5.5%。基于IC60BA研究基础上，对P3HT：IC60BA 光伏器件进行了改进，P3HT：IC60BA 按质量比 1：1 共混，对IC60BA进行热处理，具体温度为150℃，热处理时间10分钟，热处理后的器件效率提高到6.48%，其开路电压为0.84V；而没有经过热处理的器件，器件效率为5.44%，两者相对比热处理的器件比未经热处理的效率提高了将近1%，因此得出了热处理可以有效提高太阳能效率的结论（如图5所示）。
图5为P3HT：IC60BA 热处理状态图
结束语：综上所述，随着对太阳能电池高效聚合物材料的不断研究，在其给体材料和受体材料的性能方面会有稳步提升，目前在光伏材料和器件制备方面已经取得了显著进步，器件的转换效率得到了明显提升，预计通过聚合物材料研究人员的不断努力，在未来5-10年内，光伏发电技术会更加成熟，光伏发电的稳定性和性价比会达到更高水平。
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论文作者:马婷
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/20
标签：聚合物论文; 太阳能电池论文; 材料论文; 受体论文; 光伏论文; 富勒论文; 衍生物论文; 《电力设备》2018年第34期论文;