有機(jī)太陽(yáng)能電池概述有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池器件基本 結(jié) 構(gòu) 為：ITO/ PEDOT∶PSS/共軛聚合物：富勒烯及其衍生物/LiF/ Al。這類太陽(yáng)能電池稱為本體異質(zhì)結(jié) BHJ太陽(yáng)能電池［2］。本體異質(zhì)結(jié) BHJ是指活性層是由給體和受體均勻混合在一起形成的混合膜，這大大增加了給體/受體界面的面積，減小了給體表面與受體表面之間的距離，能在非常短的距離內(nèi)使得激子得到有效分離，有利于電子與空穴的傳輸。它是到目前為止，構(gòu)建聚合物太陽(yáng)能電池最有效的體系結(jié)構(gòu)。目前，根據(jù)有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作原理［3］，研究人員對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池進(jìn)行了多方面的研究，其 中 以 BHJ太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出了較好的性能，在這類電池中富勒烯及其衍生物（如 PC61BM，PC70BM）是應(yīng)用最普遍的受體材料。下面主要以性能好的 BHJ型太陽(yáng)能電池為例，從材料的設(shè)計(jì)和制備角度出發(fā)，設(shè)計(jì)合成以共軛聚合物為電子給體，富勒烯衍生物 PC61BM 為電子受體。結(jié)合氟原子的特殊性，將其作為吸電子基團(tuán)引入到共軛聚合物的受體單元中，以調(diào)變聚合物的光學(xué)帶隙和 HOMO 能級(jí)、LUMO 能級(jí)，使其與富勒烯受體更好地匹配混溶，形成納米級(jí)的共連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)。此外，活性層與電極之間界面的特性，也是影響 BHJ有機(jī)太陽(yáng)能電池性能的重要因素。因含氟物質(zhì)有優(yōu)異的耐候性、耐久性等特性，所以考慮將含氟物質(zhì)引入二者之間界面修飾層中，使器件性能提高。 2 含氟共軛聚合物作為給體材料的研究含氟有機(jī)分子表現(xiàn)出了一系列獨(dú)特的功能，如良好的熱穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性，抗降解性能強(qiáng)［4］，疏水性和疏油性的提高［5］。這些特殊的功能與氟原子獨(dú)特性　能相關(guān)：1）氟是電負(fù)性最大的元素;2）氟是最小的吸電子基團(tuán)。因此，含氟共軛材料已在有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （OFET）［6］和有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）［7］中得到探索和應(yīng)用。但是，含氟聚合物在有機(jī)太陽(yáng)能電池中，特別是在本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用卻很少［8］。要增強(qiáng)聚合物太陽(yáng)能電池的性能，顯著提高光電轉(zhuǎn)化率，需要加強(qiáng)對(duì)共軛聚合物的研究。為了增加光的吸收，增加短路電流（Jsc），共軛聚合物應(yīng)是低帶隙的，但是狹窄的帶隙又損害了開路電壓（Voc）。所以， 要使 BHJ型 太 陽(yáng) 能 電 池 器 件 的 整 體 能 量 轉(zhuǎn) 化 效 率 （PCE）提高，需要在帶隙盡量低且保持恒定的同時(shí)增加開路電壓，共軛聚合物的 HOMO 和 LUMO 的能級(jí)也必須同時(shí)下降。因此，這要通過在聚合物中添加吸電子基團(tuán)來實(shí)現(xiàn)。以聚噻吩衍生物為例，不含缺電子側(cè)基基團(tuán)的聚噻吩衍生物的 HOMO 值為-4.76eV。當(dāng)向聚合物骨架中引入含酯基的吸電側(cè)基基團(tuán)后，衍生物的 HOMO 值降到了-5.1eV。相應(yīng)的開路電壓由原來的0.6V 上升到了0.8V ［9］。 2.1 含氟苯并噻二唑在有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用目前，采用給體-受體戰(zhàn)略研究含氟低帶隙聚合物結(jié)構(gòu)的光伏性能是創(chuàng)造新的 BHJ型太陽(yáng)能電池聚合物的方法之一。含氟苯并噻二唑作為含氟共軛聚合物在 BHJ型太陽(yáng)能電池中得到了研究。對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的給體單元與受體單元的特性進(jìn)行研究，發(fā) 現(xiàn) “弱 （D）-強(qiáng) （A）”的 結(jié) 構(gòu) 是 效 率 最 高的［10］。2，1，3-苯并噻二唑（BT）作為受體，然后用2個(gè)氟原子取代 BT 單元上的2個(gè)氫原子。氟取代后，BT 單元苯環(huán)上的電子密度降低，所得聚合物的 LUMO 和 HOMO 能級(jí)將減少［11］。而且，取代前后的聚合物具有相似的尺寸，將不會(huì)在相鄰單體之間增加額外空間位阻。此外，氟化后 BT 單元兩側(cè)的2個(gè)烷基化噻吩基單元，可以增加聚合物的溶解度［12，13］。將苯［1，2- b∶4，5-b’］并二噻吩（BnDT）作為給體，首先因?yàn)樗侨踅o體，能使所得聚合物維持低的 HOMO 能級(jí)［14］; 其次，它具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和剛性稠芳香體系可以提高電子的離域，分子間的作用力可以提高電荷遷移率［15］。最后，將二者聚合，制備了新型給體-受 體 共 軛 聚 合 物：PBnDT-DTffBT（如 Fig.1 所示）。將PBnDT-DTffBT 與無氟取代的 PBnDT-DTBT 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，比較氟取代前后聚合物的各種性能。采用密度泛函理論（DFT）可以評(píng)估氟原子對(duì) PBnDTDTffBT光電性質(zhì)的影響。而且，從 PBnDT-DTffBT 的循環(huán)伏安圖中可以估測(cè)它的 HOMO 和 LUMO 能量水 平。 若 以 PBnDT-DTffBT/PC61BM 作 為 BHJ 結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的活性層，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究［16］，結(jié)果表明 PBnDT-DTffBT 具有高的開路電壓為0.91V，相當(dāng)高 的 Jsc為 12.9 mA/cm2，而 且 FF 值 為 0.61，在 BHJ結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池中整體效率為7.2%。