A-D-A型稠环小分子光伏受体材料
摘要：能源短缺、环境污染是全球经济可持续发展面临的重大问题。光伏发电作为新型绿色能源技术是解决上述问题的重要途径之一，其中有机太阳能电池因具有柔性、成本低、质量轻及可溶液加工等优点备受关注，已成为各国竞争较为激烈的一个前沿研究领域。近年来，非富勒烯受体材料发展迅速，特别是对A-D-A（受体-给体-受体）型小分子稠环受体材料的研究极大的推动了有机太阳电池的前进，目前单结有机太阳电池的能量转换效率已超过17%，展现出了巨大的应用前景。基于此，本文简要综述了A-D-A型小分子稠环受体设计与器件应用中的研究进展，并总结展望A-D-A型小分子稠环受体的未来发展。
关键词：A-D-A型小分子稠环受体；非富勒烯受体；有机太阳能电池
一、文献综述
引言
随着全球能源短缺和环境污染问题的日益严峻，太阳能因其不受地域限制、没有噪音、无污染、利用成本低等特点，引起了各国的极大重视。1954 年, 美国的贝尔实验室成功研制出硅太阳能电池，开创了光电转换研究的先河，之后关于太阳能电池的研究迅速发展。最初主要集中于以单晶硅为活性材料的无机太阳能电池。20世纪 90 年代又发展了砷化镓、碲化镉以及叠层 GaInP/ GaAs/Ge 等器件，它们由单晶、多晶或非晶薄膜构成。由于无机太阳能电池制作成本高、生产工艺复杂，而且窄带隙半导体的严重光腐蚀等限制，很大程度上制约了太阳能发电技术的推广应用。随着有机半导体领域快速的发展,低成本太阳能发电技术的推广应用成为可能。与传统硅基及其他无机金属化合物太阳能电池相比，有机太阳能电池具有以下独特优势：(1)有机材料质量轻、柔韧性好；(2)有机材料易于进行化学结构设计、裁剪和合成，无资源存量的限制；(3)器件制备工艺简单，可采取印刷、喷墨、打印等溶液加工方法，制作成本低；(4)易于实现大面积柔性器件。由于上述优势的巨大潜力，使得有机太阳能电池成为新一代太阳能电池的重要发展方向。
典型的本体异质结有机太阳能电池（BHJ OSCs）具有一个混合的电子给体和受体材料的活性层。通常，在BHJ有机太阳能电池中，将光能转换为电能的过程包括五个步骤：(1)活性层中的给受体材料吸收光子，然后产生激子；(2)激子扩散到给体/受体界面；(3)激子解离形成自由电子和空穴；(4)电荷传输；(5)在其各自的电极处被收集传到外电路，从而产生电流。
1992年，Sariciftci等发现了共轭聚合物和富勒烯(C60)的混合物受光激发作用会产生迅速、高效的光诱导电子转移。此后，富勒烯作为典型的电子受体材料受到了广泛关注，并且迅猛发展。但由于富勒烯及其衍生物材料具有以下缺点：(1)吸光波长范围较窄，吸收主要在紫外区，可见区吸收较弱，近红外区基本没有吸收，其对光电流的贡献较小；(2)不易通过化学修饰调控能级，限制了开路电压(Voc)的提高；(3)合成过程中多取代和异构体的存在导致提纯困难，成本高；(4)光照下易二聚，加热时易结晶，导致活性层形貌稳定性和器件长期稳定性较差；(5)溶解性差，严重制约了富勒烯作为有机太阳能电池电子受体材料的更广泛应用和器件性能的进一步提升。
而非富勒烯受体材料相对于富勒烯及其衍生物，发展比较缓慢。近年来，非富勒烯小分子电子受体材料因为其能级可调、合成简便、制作成本低、溶解性能优异等吸引了人们越来越多的关注。更重要的是，此类材料在可见太阳光光谱中比富勒烯及其衍生物材料有更为宽广的吸收范围。非富勒烯小分子受体材料（NFAs）主要有酰亚胺类、吡咯并吡咯二酮类、缺电子芳香环小分子和以稠环单元为核、以强拉电子基团为端基的A-D-A型小分子等。其中，具有A-D-A型排序的梯型共轭骨架的电子受体不仅具有较窄的带隙和较低的能级，在600 nm至800 nm波长范围内有较强的吸收，而且由于其具有刚性的大pi;共轭平面结构，使得其具有较高的电子迁移率，已经取得了优异的光伏性能。在近几年，研究者们对带有稠环梯形骨架结构的小分子受体做了大量的研究，目前单层器件已达到了17%的光电转换效率。
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