窄带隙共轭聚合物类太阳能电池材料的研究进展
?４８?材料导报：综述篇２０１０年３月（上）第２４卷第３期窄带隙共轭聚合物类太阳能电池材料的研究进展
魏宇锋，陈相，蒋伟，朱洪坤
（上海出入境检验检疫局，上海２００１３５）
摘要窄带隙共轭聚合物材料是新型太阳能电池的研究热点。按窄带隙聚合物材料的结构分类，简要总结了不同种类窄带隙共轭聚合物类太阳能电池材料的设计、合成及器件性能，并指出了该研究领域目前还存在的问题和今后发展的方向。
关键词窄带隙共轭聚合物太阳能电池能量转换效率
ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＮａｒｒｏｗＢａｎｄｇａｐＣｏｎｊｕｇａｔｅｄＰｏｌｙｍｅｒ
ＭａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎＳｏｌａｒＣｅｌｌｓ
ＷＥＩＹｕｆｅｎｇ，ＣＨＥＮＸｉａｎｇ，ＪＩＡＮＧＷｅｉ，ＺＨＵＨｏｎｇｋｕｎ
（ＳｈａｎｇｈａｉＥｎｔｒｙ－ＥｘｉｔＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄＱｕａｒａｎｔｉｎｅＢｕｒｅａｕ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００１３５）
ＡｂｓｔｒａｃｔＮａｒｒｏｗｂａｎｄｇａｐｃｏｎｊｕｇａｔｅｄｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓｈａｖｅａｔｔｒａｃｔｅｄｇｒｅａｔｉｎｔｅｒｅｓｔｓｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｆｉｅｌｄｏｆｎｏｖｅｌｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ．Ｄｅｓｉｇｎ，ｓｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄｄｅｖｉｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｔｙｐｅｓｏｆｎａｒｒｏｗｂａｎｄｇａｐｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｂｒｉｅｆｌｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔＯｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓ７ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｆｕｔｕｒｅ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓｎａｒｒｏｗｂａｎｄｇａｐ．ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ
ｐｏｌｙｍｅｒ，ｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ，ｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
０前言
过去的几十年中，单晶硅、多晶硅、非晶硅类无机半导体太阳能电池得到了很快发展，已占有７０％左右的太阳能电池市场，其光电转化效率从２０世纪５０年代贝尔实验窜的约６％发展到如今的约３７．９％，在航空航天等高技术领域得到了广泛应用口’２］，但其复杂的制备工艺、较高的制作成本及不易柔性加工等缺点，限制了大面积无机太阳能电池的制备及其大规模使用。２０世纪７０年代人们开始关注有机太阳能电池材料的制作，尤其是聚合物太阳能电池已成为近年来研究的热点。具有共轭结构的聚合物半导体材料具有许多优良性质，如有效吸收太阳的光子，可以旋涂、刮涂及丝网印刷等方法实现湿法加工成膜；可以制成柔性、特种形状以及大面积器件；可以与其他有机或无机材料共混而制备成杂化器件等。目前，聚合物本体异质结型太阳能电池器件的光电转化效率已经达到６％［３］。
聚合物能带隙定义为：聚合物中最高被占用分子轨道（ＨＯＭ０）与分子最低空余轨道（ＬＵＭ０）之间的能级差。能带隙低于２．ｏｅＶ，即能吸收波长在６２０ｎｍ以上光的聚合物，被定义为窄带隙聚合物。聚（３－己基）噻吩的能带隙约为１．９ｅＶ，能吸收６５０ｈｍ以下的太阳光。研究数据表明，在６５０ｈｍ太阳光谱中仅有２２．４％的光子可以被吸收，因此降低聚合物能带隙能增加太阳光谱中光子的吸收率【４ｊ。然而，聚合物能带隙的降低会使器件的开路电压（ｋ）降低，从而导致能量转换效率（ＰＣＥ）降低。在实际应用中，聚合物的最佳能带隙取决于诱导电荷分离所需要的能量、给体的吸收属性以及受体的限制条件等。太阳能电池器件中最常用的电子受体为Ｃ６０的衍生物ＰＣＢＭ，与之构成大型异质结太阳能电池器件的共轭聚合物的最佳能带隙范围是１．３～１．９ｅＶ“。
本文简要综述了近年来设计、合成新型窄带隙共轭聚合物类太阳能电池材料的研究进展。
１研究概述
１．１聚噻吩类
聚噻吩的结构见图１。为了增加其溶解度，许多不同的取代基团被引入到聚噻吩骨架Ｅ，如烷基链、烷氧基链、酸、酯以及苯基等。聚噻吩是五元环结构，在２、５位实现聚合增长，因此，聚合物分子骨架就有了３种构型，“尾一尾”结构、“头一头”结构以及“头一尾”结构，其中“头一尾”结构是区域规则的结构。
聚噻吩ＰＡＴ的构型规整性是很重要的。因为这样的高分子电导率较高，基于规整性高分子的有机光伏打（ＯＰＶ）器件具有更高的效率。然而早期的合成方法无法得到规整性的聚噻吩。直到１９９０年，ＭｃＣｕｌｌｏｕｇｈｂＪ和Ｒｅｉｋｅｔ６１才用２种相关联的方法合成了具有高度规整性的聚（３－己基噻吩）（Ｐ３ＨＴ）（见图１）。由这２种方法得到的聚噻吩其区域规整
魏字锋：男，１９８１年生，硕士，主要从事聚合物太阳能电池材料的研究以及进出口锂电池类危险品的检验鉴定工作Ｔｅｌ：０２１—５２８４８８５５—２２１Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｕｆｅｎｇｗｅｉ０２１＠ｇｍａｉｋｃｏｍ
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