太阳能光伏发电是一种依靠光伏效应将太阳能转换成电能的技术，所使用的设备为太阳能电池(solar cells, scs)，其最为重要的性能指标为能量转换效率(power conversion efficiency, pce)。与传统硅基太阳能电池相比，以有机半导体作为光电转换活性材料的有机太阳能电池具有轻质、柔性、可溶液加工等优点, 具有广阔的发展和应用前景, 是新能源领域的研究热点之一。
图1 美国国家可再生能源实验室(nrel)认证的太阳能电池最高能量转换效率
图1 中展示了从1976 年以来各种太阳能电池的pce 的发展趋势[1]. 可以看出, 有机太阳能电池的研究(organic solar cells, oscs, 图1, 红色线条)虽起步较晚,但其pce 从2000年的不足5%, 发展至今已经超过18%,展示出美好的应用前景。这主要得益于各种新型给体和受体材料的研发。在这些有机光伏材料中,三氮唑作为一种经典的缺电子型五元杂环单元, 得到了广泛的研究. 基于三氮唑单元的聚合物给体材料、小分子给体材料以及非富勒烯小分子和聚合物受体被不断地设计合成出来, 特别是基于苯并三氮唑单元构筑的j系列聚合物给体材料和y 系列受体材料, 以其优异的光伏性能, 近年来受到广泛关注。与此同时, 相关的给受体分子设计策略也在不断地更新与完善, 从分子结构上来看, 分子设计策略主要包括以下两个方面:
(1)主链结构。d-a 共轭策略仍然是目前最有效的策略, 即将给体“d”单元和受体“a”单元交替连接或稠合构筑分子主链。给体分子设计中, 常用的策略是d-a、d-π-a-π、d-a-d-a-d 型等, 受体分子设计中为a-d-a、a-π-d-π-a、a-dad-a 型等. 基于bta 及其衍生物的有机光伏材料中, “d”单元通常为苯并二噻吩、苯并二呋喃、引达省并二噻吩、噻咯并二噻吩、噻吩等,“π”桥通常为噻吩、并噻吩等单元。通过调整主链结构,可以很好地调整分子的吸收谱带、能级、共混薄膜的形貌及载流子迁移率等相关性能, 而位于给体单元和受体单元之间的“π”桥, 也可以降低二者之间的空间位阻,改善分子的平面性。
(2)侧链工程。引入功能性侧链如柔性侧链(烷基侧链、烷氧基侧链、烷硫基侧链、硅烷基侧链等), 共轭侧链(取代噻吩、取代苯环等), 以及吸电子基团(氟原子、氯原子、丙二腈基等)等, 可以对材料性质进一步调控。
图2 bta 单元合成路线及部分bta 衍生物分子结构示意图
图3 基于苯并三氮唑衍生物构筑的给体材料
图4 基于三氮唑单元的bta 系列受体材料
尽管基于三氮唑单元的有机光伏材料已历经数十年的发展, 构筑了结构种类丰富的给受体光伏材料, 目前其仍具有广阔的研究前景, 特别是基于三氮唑单元的非富勒烯型受体材料。今后, 进一步探索更深层次的分子设计机理, 从而系统性地指导分子设计, 也是尤为重要的研究工作。为了进一步推动有机光伏领域的发展,拓展应用场景(例如叠层器件、半透明器件、室内低功率器件等), 在继续探索并设计新型的有机光伏材料的同时, 也需要从器件整体的角度, 如与界面层材料、电极材料、器件工艺等协同优化, 致力于从多角度优化并提升器件性能。提高材料的环境(光、氧气、水分等)稳定性, 降低材料的合成工序和生产成本, 降低大面积制备过程中能量转换效率的损失等是今后研究中需要重点关注的问题,以推动有机光伏领域早日走向商业化应用。
参考文献：
[1] 苯并三氮唑类有机光伏材料研究进展.白阳,薛灵伟,王海侨,张志国. acta chim. sinica 2021, 79 (7), pp 820-852. doi: 10.6023/a21050193
