物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao)December Acta Phys. -Chim. Sin.2017,33 (12), 2327−2338 2327 [Feature Article] doi: 10.3866/PKU.WHXB201706161 面向非富勒烯型有机光伏电池的聚合物给体材料设计张少青1,2侯剑辉2,*(1北京科技大学化学与生物工程学院，北京 100083；2中国科学院化学研究所，北京分子科学国家实验室，高分子物理与化学实验室，北京 100190)摘要：可溶液加工的有机光伏电池(OPV)是一种具有重要应用潜力的新型光伏技术。
在OPV技术的发展过程中，富勒烯衍生物作为电子受体材料占据了相当长时间的统治地位，因此聚合物给体材料设计中对如何与富勒烯受体材料相互匹配考虑较多。
最近几年来，基于聚合物给体和非富勒烯有机受体的OPV电池，简称为非富勒烯型NF-OPV，得到了十分快速的发展。
在此类电池中，聚合物电子给体和非富勒烯型电子受体材料均起到了十分重要的作用。
相比于较为经典的富勒烯型OPV，NF-OPV对聚合物给体的光电特性和聚集态结构提出了新的要求。
因此，本文针对NF-OPV的特点，重点介绍NF-OPV对聚合物给体材料的吸收光谱、分子能级以及聚集态结构等特征的新要求，总结最近几年来的相关进展，并在此基础上进一步讨论聚合物电子给体材料面临的挑战和展望。
关键词：有机太阳能电池；共轭聚合物；分子设计；非富勒烯受体；光伏效率中图分类号：O646Rational Design Strategies for Polymer Donors for Applications inNon-Fullerene Organic Photovoltaic CellsZHANG Shao-Qing1,2 HOU Jian-Hui2,*(1School of Chemistry and Biology Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, P. R. China;2State Key Laboratory of Polymer Physics and Chemistry, Beijing National Laboratory for Molecular Sciences,Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, P. R. China)Abstract: Solution-processable organic photovoltaic cells (OPVs) have attracted considerable interest.Over the past twenty years, fullerene and its derivatives have been predominately used as the electronacceptor materials to fabricate OPV devices. In recent few years, non-fullerene organic photovoltaic cells(NF-OPVs), consisting of polymers as the donors and the non-fullerene (NF) materials as the acceptors,have been developed rapidly, and the highest power conversion efficiencies of NF-OPVs exceed those offullerene-based OPVs. In these NF-OPVs, both polymeric donor materials and NF acceptors play criticalroles in achieving outstanding efficiencies, and hence, the molecular design of the polymer donors hasbeen deemed a very important topic of research in the field. In this review, we will present an introductionof the specific requirements for polymer donors in NF-OPVs and summarize the recent progress related topolymer donors for the applications in highly efficient NF-OPVs.Key Words: Organic photovoltaic cells; Conjugated polymer; Molecular design; Non-fullereneReceived: May 29, 2017; Revised: June 11, 2017; Published online: June 16, 2017.*Corresponding author. Email: hjhzlz@; Tel: +86-10-82615900.The project was supported by National Nature Science Foundation of China (91333204, 21325419, 51673201) and the Chinese Academy of Sciences(XDB12030200).国家自然科学基金委(91333204, 21325419, 51673201)和中国科学院战略性B类先导科技专项(XDB12030200)© Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinica2328Acta Phys. -Chim. Sin. 2017V ol.33acceptor; Power conversion efficiency1 引言1995年，俞刚和Heeger等1,2发明了具有本体异质结(bulk heterojunction，简称BHJ)结构的有机光伏电池(organic photovoltaic cells，简称OPV)。
此类电池的光伏活性层具有可通过简单溶液涂布方法进行制备的突出特点，在降低电池制备成本以及实现高柔性大面积光伏电池面板方面具有巨大潜力。
因此，在过去的二十余年中，OPV技术受到了世界范围的广泛关注。
在来自学术界和产业界的广大科研工作者的共同努力下，BHJ-OPV的能量转换效率(将入射光转化为电能的效率，简称：光伏效率)已经由1%提升至13%以上，关于其稳定性和大面积制备等技术的研究正在得以迅速提升，其应用价值愈发瞩目，已经被认为是一种具有重要应用潜力的新型光伏技术。
有机光伏活性层材料的多种特性与其光伏性能之间具有错综复杂的关系，这一特征纵然使高性能有机光伏材料设计具有很大难度，但是也赋予相关研究以独特的魅力。
因此，在过去的二十余年中，OPV始终保持稳步发展的趋势，研究团队逐渐壮大，研究方向的受关注度持续提升，连续多年成为研究前沿热点方向。
共轭聚合物作为电子给体材料在OPV电池中具有十分重要的作用。
在这个领域发展初期，俞刚等1,2就是采用一种共轭聚合物(MEH-PPV)作为电子给体材料分别与富勒烯衍生物(PCBM)以及另外一种共轭聚合物受体(CN-PPV)共混制备BHJ-OPV器件。
此后，MEH-PPV及其它聚对苯撑乙烯类聚合物、以聚(3-己基噻吩) (P3HT)为代表的聚噻吩、以及大量基于多种杂化共轭单元构建的聚合物作为电子给体材料在BHJ-OPV中得到了十分广泛的应用。
值得注意的是，在BHJ-OPV出现后的近二十年时间中，富勒烯衍生物3–6作为电子受体材料在OPV发展过程中占据了显著的统治地位，因此，当BHJ-OPV中采用非富勒烯型有机材料作为电子受体时，人们约定俗成地将其称之为非富勒烯型有机光伏电池(简称：NF-OPV)。
近年来，NF-OPV电池的性能得到大幅提升，其光伏效率已经实现了对富勒烯型OPV电池的赶超，目前最高效率已经达到13%以上7。
由于NF-OPV在增强太阳光吸收率以提升短路电流密度(J sc)、降低能量损失来获得高开路电压(V oc)以及提升器件的耐热性(即热稳定性)等方面表现出明显的优势8–14，因此NF-OPV已经成为有机光伏领域的研究重点和热点。
高效率NF-OPV对非富勒烯受体和聚合物给体的分子设计均提出了新的要求。
近期，多篇综述论文对非富勒烯受体材料的分子设计策略进行了总结15–18。
相比于具有各向同性球型共轭结构的富勒烯分子，非富勒烯型受体均具有各项异性的共轭骨架，因此其电荷传输特性及与其它分子之间的电荷转移特性均与分子取向密切相关19,20；另外，从化学结构的角度而言，非富勒烯型受体材料与共轭聚合物给体更为相似，两者组成的光伏活性层中的相分离程度与富勒烯型有机光伏活性层具有明显的差异。
因此，对于一些与富勒烯型受体共混可获得良好光伏特性的聚合物给体材料，当它们与非富勒烯受体共混制备器件时，电池的光伏效率令人较为失望21,22；而对于一些与富勒烯受体共混后光伏性能较为平庸的聚合物给体材料，当它们与非富勒烯型受体共混制备器件时，电池的光伏性能却十分突出23–25。
也就是说，为了更好地满足NF-OPV对聚合物给体材料的要求，以往针对与富勒烯型受体配合使用而发展起来的电子给体材料的设计方法需要进一步的完善和补充。
因此，本文针对NF-OPV的特点，重点介绍此类电池对聚合物给体材料多种特征提出的新要求，总结近两年内NF-OPV中聚合物给体材料设计相关的研究进展，并在此基础上进一步讨论聚合物电子给体材料面临的挑战和展望。
2 NF-OPV对聚合物电子给体材料基本光电特性的若干要求张少青，北京科技大学化学与生物工程学院讲师。
2017年1月毕业于北京科技大学化学与生物工程学院，获理学博士学位。
主要从事新型聚合物及小分子光伏材料的设计合成与表征工作。
侯剑辉，中国科学院化学研究所研究员，博士生导师。
2006年6月毕业于中国科学院化学研究所，获理学博士学位。
长期从事有机光伏领域的研究，主要研究方向包括新型有机光伏材料的设计合成以及高效率有机光伏器件的制备技术等。