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有机光伏材料的分子设计及活性层形貌调控的开题报告
一、研究背景
有机太阳能电池（OrganicSolarCells,OSC）又称为有机光伏电池，是以含有富勒烯、半导体材料等功能分子为基础的光伏新技术[1]。相较于传统的硅基太阳能电池，有机太阳能电池已经成为了电池材料探索领域的热点。有机光伏电池由于具有优异的制备工艺和低成本等优点，已经引起了学术界和工业界广泛的关注，它曾被认为是未来发展方向的重要研究领域。其中，有机光伏材料的分子设计及活性层形貌调控是影响其性能的重要因素。
二、分子设计
有机光伏材料的分子设计是影响其性能的关键因素之一。分子设计的原则包括：应具有优良的吸收、传输和激子分离的性质；合适的能级结构和有效的电荷转移特性；并且应具有易于合成及制备的特点[2]。
1.吸光性能
吸光性能是有机光伏材料的关键性能之一。有机分子化合物的吸收光谱带宽比较窄，很难在太阳光谱的连续吸收范围内获得高的吸收率。因此，需要设计具备宽吸收光谱特性的分子化合物。常用的方法是在分子中引入吸收光谱带宽较宽的有机官能团如苯并呋喃、吡啶、卟啉、咔唑等，以增强其光吸收能力。
2.能级结构
有机光伏材料的能级结构对于其电子传输和激子分离等性能具有重要影响。当光子能量与光伏材料分子HOMO（最高占据态）和LUMO（最低未占据态）能量差距合适时，光伏材料分子中的电子和空穴就能够被激发出来并能够向电极流动[3]。为了在有机光伏材料中实现高效的电子传输，需要保证HOMO和LUMO能级之间具有合适的能量差。一般地，提高HOMO能级或降低LUMO能级将有助于提高太阳能电池的工作效率。
3.光电分离效率
有机光伏材料的性能还受活性层光电分离效率的影响。其中，分子的形貌调控是影响光电分离效率的重要因素。在两种不同的有机分子能级结构之间，会形成界面的势垒，因此活性层的形貌特征对于激子的分离和电子传输具有很大影响。在有机光伏材料研究中，通常采用侧链工程等化学修饰方法来控制有机光伏材料的形貌，以提高光电分离效率。
三、活性层形貌调控
1.传统的活性层制备
传统的有机光伏电池通过有机半导体和富勒烯之间的共混，使得有机半导体微观相与富勒烯微观相形成相互穿插的结构，从而形成三维网络结构，分别作为电子传输通道和电荷分离界面。然而，传统的活性层制备方法不能保证光伏薄膜的完整性，也难以控制薄膜的结构和形貌。
2.新型活性层制备
新型的有机光伏材料活性层制备技术强调控制薄膜的形貌和结构。比如，旋涂法、喷雾法和印刷法等直接印刷制备方法，可以使得活性层在表面完整地形成；而模板剥离法等制备方法则可以在有机半导体和富勒烯之间形成接触，形成均匀且网状的结构。同时，化学修饰法则是控制有机光伏材料形貌的有效途径。通过在有机分子中引入侧链，可以控制有机半导体分子的取向和紧密堆积，形成分子级自组装膜。此外，通过有机半导体和富勒烯表面上引入化学选区性官能团则能够调节有机分子在表面的取向和布局，来控制各个分子之间的距离和相互作用力，进而控制活性层的结构形貌[4]。
四、总结
在有机光伏材料的分子设计和活性层调控等方面，有机分子的电荷转移和分子形貌等因素对于光伏电池的性能影响重大。因此，如何通过化学修饰和新型制备方法来控制分子形貌，在优化电荷转移的同时，降低能级差异，是有机光伏材料研究中的重要挑战。