分析聚合物太阳能电池的分子设计

能源问题一直是世界各国竞争的焦点，发展新型清洁能源已成为各国科学家研究的重点。近几年来，实验室报道的聚合物太阳能电池的能量转化效率已经高达12%，这使得聚合物太阳能电池在各类竞争者中脱颖而出。聚合物太阳能电池效率的大幅提高是科学家们在设计合成、机理研究以及器件工艺制备方面的共同努力。

聚合物太阳能电池是体异质结（聚合物给体：富勒烯受体）结构。而它的电池效率也受到多方面的影响（短路电流J_sc、开路电压V_oc、以及填充因子FF）。最近武汉理工大学的肖生强研究员、尤为教授（北卡罗来纳大学教堂山分校教授）在Adv. Mater.撰写综述性文章，依次从分子设计、聚合物设计以及形貌和器件物理等方面进行详细阐述，从合成、形貌以及器件物理等方面综合全面的阐释影响器件性能的基本原理，从而更深层次理解结构和性能之间的关系。这对我们设计合成下一代高效电池器件起到至关重要的影响。

研究人员通过上图形象的说明了聚合物太阳能电池中材料与器件的关系，有机材料以及其加工过程直接影响体异质结的形貌，而形貌又关系着器件的实际输出（如能级、带隙以及聚集态等）；只有更好的理解器件物理，才能更好的解释器件效率的变化。因此，理解材料设计以及器件加工过程，从而研究器件内部作用机理。

首先，研究人员从主链、取代基以及侧链三个方面阐述分子设计对聚合物太阳能电池的影响。

主链、取代基以及侧链对于最终的分子都有影响，但是也不能将它们简单的拆分开来。分子主链决定着共轭聚合物最基本的光电性能（如能级、带隙以及迁移率等）。同时，侧链也很大程度的影响了共轭聚合物的光电性能，特别是固态薄膜状态下形貌的特性（如聚集以及分子的堆积等）。

接着，研究人员从分子量等方面阐述了聚合物设计对聚合物太阳能电池的影响。一般来说，较高的分子量能真正反映聚合物太阳能电池的实际行为状态。但是到目前为止科学家们对于“太阳能电池中的共轭聚合物是否具有普适性的分子量临界值”，仍没有得到确定的依据。

此外，研究人员表明电池器件最大效率与薄膜形貌直接相关。因此，器件物理能使我们很好的理解器件薄膜中的物理过程，电荷的激发与分离行为均受分子结构以及薄膜形貌影响。

然而12%的效率要想实现商业化的应用仍存在一段距离，因此科学家们仍在采用各种办法提高效率。例如，最近非富勒烯受体的太阳能电池得到迅速发展。