氟取代共轭高分子为何可以提高有机太阳能电池的效率?

dahongzhai

在能源日益消耗的今天，太阳能电池的研究引起越来越多的关注。与大家熟悉的硅太阳能电池板相比，有机太阳能电池更柔软轻便，加工也更容易。如何提高有机太阳能电池的效率是近年来研究的热点。大量的研究表明氟取代高分子可以有效地提高有机太阳能电池的效率，美国北卡大学教堂山分校化学系尤为研究组最近在Accounts of Chemical Research 发表了关于氟取代对共轭高分子性质以及有机太阳能电池效率影响的综述。

作为有机太阳能电池活性层中的给体材料，高分子的化学结构决定了它的性质，进而影响有机太阳能电池的效率。在大量的研究中，人们发现将氟原子引入高分子的骨架中可以有效改进它们的性质，并且大幅提高太阳能电池的效率。氟原子如何影响高分子的性质（例如能级和带隙）？为什么氟取代可以提高有机太阳能电池的效率？这种氟化的效应是否与高分子本身的化学结构相关？将氟原子放在高分子不同的位置上是否有不同（或者相同的）效果？在相关研究中，这篇综述选择了一些有代表性的，对研究氟取代影响做了系统研究的文章，总结分析氟取代对不同结构的高分子性质以及有机太阳能电池的影响。整体而言，氟取代可以有效影响高分子的能级、高分子之间相互作用以及有机太阳能电池活性层的微观形态，这些性质都与有机太阳能电池的效率息息相关。在这篇综述里，作者重点根据氟取代位置进行了分析：当氟原子被放在缺电子的结构单元（这也是大部分高分子采用的氟取代位置），有机太阳能电池的效率一般可以有效地提高；但是如果将氟原子放在给电子的结构单元，有结果表明可以提高有机太阳能电池的效率，同时也有研究表明这种取代方式会造成太阳能电池效率下降。通过分析主要的几种氟取代结构单元，作者发现无论将氟放在缺电子还是给电子的结构单元中，高分子自身的化学结构都会对氟取代的效果产生较大的影响，太阳能电池效率提高（或者降低）背后的原因也会因为高分子化学结构的不同而改变。

这篇综述并不仅是关于氟取代效应的简单总结；它包含了对近几年的氟取代研究的系统分析，也希望能够指导将来设计新型高分子进而继续提高有机太阳能电池效率。而且值得指出的是，这篇综述也能对最新的研究热点——设计非富勒烯受体材料——提供指导。通过氟取代来调节分子结构，从而来改善非富勒烯受体材料的性质，将会是进一步提高有机太阳能电池效率的有效手段。