随着社会的发展，能源危机在近几十年变得越来越突出，传统的化石能源存在着日益枯竭的问题，同时使用化石能源造成的环境污染也越来越严重。在此背景下，寻找可替代的新能源成为当下研究的热点，而在众多备选的替代能源中，太阳能电池由于具有清洁性、可持续性等优点得到了大量的关注。有机太阳能电池是在20世纪90年代发展起来的新型太阳能电池，它以有机半导体作为实现光电转换的活性材料。
有机太阳能电池是解决环境污染、能源危机的有效途径之一，其在质轻、柔软、半透明、可大面积低成本印刷、环境友好等方面都远远优于传统太阳能电池，被认为是具有重大产业前景的新一代绿色能源技术。然而，实现太阳能到电能的高效率转化是有机太阳能电池研究的核心难题。这一难题能否解决也直接决定着有机太阳能电池能否走出实验室、走进人类的实际生产生活。有机太阳能电池的工作原理普遍认为是光诱导电子转移的光物理过程，理想的电子产生转移过程由以下四步组成：（1）激子的产生：给体材料吸收太阳光，其基态最高占据分子轨道能级（HOMO）上的电子被激发到激发态最低非占据分子轨道能级（LUMO），形成激子（电子空穴对）；（2）激子的迁移：激子在复合前扩散到给体-受体（D/A）界面，迁移距离一般在10 nm以内；（3）激子的分离与自由载流子的产生：如果给体和受体材料的能级差比激子束缚能高，激子就会在内建电场的作用下在D/A界面分离，激子分离产生的电子将从给体LUMO能级转移到受体的LUMO能级，而空穴留在给体的HOMO能级，这一步产生自由载流子；（4）载流子的扩散与收集：载流子分别向相应的电极迁移，电子和空穴分别被阴极和阳极收集。
相比无机太阳能电池，有机太阳能电池具有如下优点：（1）与无机太阳能电池使用的材料相比，有机半导体材料的原料来源广泛、易得、价廉、环境稳定性高，且有机半导体材料质量轻，有良好的光伏效应、较高的吸收系数，有机化合物结构可设计且制备提纯加工简便，有着加工性能好、易进行物理改性等优点；（2）有机太阳能电池制备工艺更加灵活简单，可采用真空蒸镀或涂敷的办法制备成膜，还可采用印刷或喷涂等方式，生产中的能耗较无机材料的低，生产过程对环境无污染，且可在柔性或非柔性衬底上加工，具有制造面积大、超薄、价廉、简易、柔韧性良好等特点；（3）有机太阳能电池可制备为半透明产品，便于装饰和应用，且色彩可选。(www.xing528.com)
近年来，虽然有机太阳能电池研究获得了迅猛发展，实现了单层太阳能电池超过14％的光电转化效率，但仍远远低于其他主要以无机材料（如硅）为主的太阳能电池转化效率。主要原因在于，有机高分子材料本身较低的载流子迁移率限制了活性层厚度，导致太阳光不能获得有效的利用。因此研究开发新的光伏材料成为提高太阳能电池转换效率的一个重要方法。高效的光伏材料需要达到以下几个方面的要求：（1）吸收光谱：在可见光—近红外区有宽而强的吸收；（2）电荷载流子迁移率：给体需要有高空穴迁移率、受体需要有高电子迁移率，并且这两种迁移率能够接近平衡；（3）电子能级：给体和受体电子能级相匹配，既保证在D/A界面上激子的有效分离，又具有最高的开路电压；（4）溶解性：在有机溶剂中有较好的溶解性，这是溶液加工成膜的前提；（5）聚集和形貌：D/A能自组装形成纳米尺度相分离的D/A互穿网络结构。有机太阳能电池的正/反式结构如图147.1所示，通常以ITO和Al作为两电极，在两电极之间引入活性层，同时为了获得更高效的聚合物太阳能电池，电极与活性层之间往往会引入电极修饰层，即正极修饰层和负极修饰层。
图147.1 聚合物太阳能电池器件结构
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