有机太阳能电池中非富勒烯小分子受体材料的研究综述
摘要：近些年来，由于能源紧缺和环境污染，寻找可替代传统化石能源的清洁能源成为了急需解决的问题。有机太阳能电池具有质轻价廉，可制备大面积柔性设备等特点，使其具有较大的应用潜力。有机太阳能电池活性层材料主要分为给体材料和受体材料。给体材料包括聚合物给体和小分子给体，受体材料包括富勒烯及其衍生物和非富勒烯受体。高性能非富勒烯受体在过去几年中受到了特别关注。相较于最常见的富勒烯受体衍生物，非富勒烯受体具有可调节的前沿轨道能级、更好的吸光能力、更小的电压损失和更好的光化学和光物理稳定性等优点。以现有的高效稳定的非富勒烯受体的结构为基础，通过端基修饰、改进分子内基团链接化学键类型、以及有效的侧链工程，开发一系列非富勒烯受体材料用于构筑兼具高效和稳定的有机太阳能电池小分子是目前研究的重点之一。
关键词：有机太阳能电池；非富勒烯受体；稠环电子受体；受体工程
一、文献综述
随着世界各国对能源需求的不断增加和对环境保护的意识日益增强及地球资源的短缺，清洁能源的开发利用已成为替代不可再生的化石能源是必然趋势。太阳能作为一种环保、安全、无污染、取之不尽用之不竭的新型能源受到了全世界的重视。目前商业化的太阳能电池主要是以单晶硅为原料生产的，但是其由于成本高、生产过程能耗大、产生的有毒有害物质多，环境污染严重，并且不宜制成柔性器件等缺点大大制约了其市场化应用。所以发展制备低成本、无毒、轻质、高效率的太阳能电池一直是现今科学界面临的巨大挑战。
有机太阳能电池由于具有质量轻、成本低、可制成柔性器件和可溶液处理大面积制备等优点具有非常广阔的应用前景。因此，近年来，科学家们对有机太阳能电池的各个方面都进行了深入的研究，包括工作机理、新材料的设计与合成、活性层形貌的控制与表征、器件结构的创新、界面修饰、器件的稳定性、电极材料以及大规模制备工艺等。目前实验室制备的有机太阳能电池的能量转换效率（power conversion efficiency, PCE）已经超过了18%。
1 有机太阳能电池研究历程
1953年，M. Pope和H. Kallmann以蒽单晶为活性层材料夹在两种不同的金属电极之间，制造出了最早的太阳能电池，当时的开路电压仅有0.2 eV[1]。1986年，C. W. Tang等人发表了以酞菁铜为给体与苝二酰亚胺（PDI）为受体共混制备了有机双层D/A异质结太阳能电池（Tang Cell），PCE接近1%，使人们开始重视有机太阳能电池 [2]。1993年，UCSB的A. J. Heeger研究组发现在聚苯撑类聚合物富勒烯（C60）中电荷转移的速度较快，这有利于获得较高的PCE[3]。受此现象的启发，1995年，A. J. Heeger团队使用聚合物/富勒烯和聚合物/聚合物共混，从而制备了本体异质结双层结构（BHJ）的有机太阳能电池器件，其中给体/受体的界面面积大大扩大[4-6]。2015年，北京大学占肖卫课题组首次提出稠环电子受体（FREAs）一概念，开发出明星受体分子ITIC，光电转换效率突破7%[7]。有机太阳能器件中的给体材料主要有两种：聚合物给体和小分子给体。给体材料应该选取具有较宽吸收光谱、合适的能级、较高的载流子迁移率、较好的溶解性等特性的材料。常见的聚合物给体有聚苯撑类，聚噻吩类和咔唑类等。小分子给体相较聚合物给体，具有结构易于调控，无批次问题，提纯简单高效等优点，受到了研究者们的关注，具有很大的前景。
2 有机太阳能电池受体研究现状
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