一、前沿
科技的不断进步与经济的持续发展提高了人们的生活质量，伴随而来的问题则是人类对于能源的需求不断增长。当前世界上最普遍的能源主要包括煤、石油、天然气等非可再生性的化石燃料。在过去的一个世纪里，发达国家先后实现了工业化，在这个过程中消耗了大量的自然资源，尤其是能源资源；到了二十一世纪，许多发展中国家也正在步入工业化的进程当中，这也意味着需要消耗更多的能源。据统计，按照目前的使用速度，全球能源储量中石油仅够人类使用40年，而天然气和煤炭也仅分别剩下不到60年和150年。因此，人类需要寻找可持续的新型能源来替代传统能源。
太阳能由于其安全、清洁、环保、储能丰富等特点在新型能源中脱颖而出，利用太阳能电池可以从太阳光中直接获取能量。目前，市面上的太阳能电池主要是单晶硅无机太阳能电池，其PCE已经达到了25%以上，但由于单晶硅昂贵的成本以及在电池制造过程中耗能高、污染严重、柔性不够等缺点限制了它的普及；而成本相对较低的多晶硅和非晶硅在能量效率上不尽如人意。
利用有机半导体材料作为吸光材料的有机太阳能电池由于具有质轻、柔性好、成本低以及可通过印刷进行大面积制造等优点，在近些年来已经受到了研究者们广泛的关注[1]。得益于新型光伏材料的设计与合成、活性层形貌的调控与优化以及电池器件结构的改进与创新，有机太阳能电池的能量转化效率已经达到了13%以上[2-4]。要获得更高效率的有机太阳能电池，需在综合考虑对太阳光的吸收、分子能级的匹配、半导体材料的溶解性以及活性层的形貌等基础上，对有机光伏材料进行合理地设计。
二、主题
对有机太阳能电池的研究最早是在上世纪五十年代，M. Pope和H. Kallmann将蒽单晶作为活性层夹在两个功函数不同的电极之间，构成了世界上第一个有机光伏器件，其开路电压为0.2 eV[5]。在这个器件中，激子分离的驱动力来自有机光伏材料用来传输空穴的能级与功函数较低的电极接触时形成的内建电场，但是这样的电场并不能够提供足够的驱动力，实际上只有少数的激子能在给/受体界面进行有效的分离。在后续的优化过程中，这种结构的器件能量转化效率一直没能突破0.1%。
柯达公司的邓青云在1986年发明了如图1.1所示的双层异质结器件[6]。在该器件中，酞菁铜（CuPc）和芘衍生物（PV）分别作为电子给体与受体材料平行排列在Ag电极与透明玻璃电极之间。这两种有机半导体材料接触的界面被称为给/受体界面，激子在这个界面分离后形成的自由的电子与空穴分别沿着N型受体材料与P型给体材料传送到电极附近。相比五十年代的单层器件，更高的激子分离效率使得双层异质结器件的转化效率提高到了0.95%。
图1.1 双层异质结有机太阳能电池结构示意图与活性层材料的结构式
1992年，A. J. Heeger等[7]以共轭聚合物与富勒烯（C60）分别作为电子给/受体材料，发现两种材料之间可发生光诱导下约为50 fs的超快速电荷转移，而在这个转移过程中激子的分离效率近乎100%。但是，这种给/受体材料平行排列的吸光层厚度太大，不利于器件对光子的吸收，从而限制了器件的能量转化效率。1995年，A. J. Heeger等[8]将共轭聚合物MEH-PPV和富勒烯（PC61BM）分别作为给/受体材料进行共混，制备了第一个有机本体异质结（Bulk-Heterojunction，BHJ）器件。如图1.2所示，活性层中形成了交联的互穿网络结构，使给/受体材料的接触面积得到有效增加，从而提高了激子的分离效率，该器件的PCE达到了2.9%。
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