有机光伏器件是由共轭聚合物（或p-型共轭有机小分子）给体和富勒烯（或非富勒烯n-型有机半导体）受体的共混膜夹在透明导电电极和金属电极之间所组成，具有器件结构简单、制作成本低、重量轻和可制备成柔性器件等突出优点，近年来受到广泛关注，相关材料和器件的研究获得了快速发展。

有机光伏器件研究的核心是提高光电能量转换效率（PCE），而提高效率的关键是拥有高效给体和受体光伏材料、高性能界面修饰层材料和新型器件结构。（1）在给体材料方面，研究的重点是设计和合成具有可见区宽吸收、窄带隙、高空穴迁移率、合适和较低的HOMO能级的共轭聚合物和有机小分子给体材料，分子设计策略包括通过给体（D）单元和受体（A）单元共聚（D-A共聚）获得宽吸收和窄带隙聚合物，通过使用吸电子取代基降低给体材料的HOMO能级，通过使用共轭支链合成二维共轭聚合物来拓宽吸收和提高空穴迁移率等等。（2）在受体材料方面，当前主要使用可溶性富勒烯（C60和C70）衍生物PCBM和PC70BM，人们研究开发的新型富勒烯衍生物包括具有较高LUMO能级的双加成富勒烯衍生物以提高器件的开路电压，开发高LUMO能级新型富勒烯衍生物受体材料的关键是在提高LUMO能级的同时保持高的电子迁移率。另外，最近非富勒烯有机半导体受体材料也受到了研究者的重视，这类受体材料需要有宽的吸收、高的电子迁移率和合适（与给体材料能级匹配）的LUMO能级。（3）在电极界面修饰层方面，研究方向包括可取代PEDOT:PSS的正极修饰层材料以及可取代活泼金属负极的负极修饰层材料，最近负极修饰层材料是一个热门研究课题，许多带极性侧链的聚合物和有机材料被成功用作负极修饰层材料，提高了器件的效率和稳定性。（4）在光伏器件结构方面，有以ITO透明电极为正极的传统器件结构、近年来发展的通过使用负极修饰层使ITO成为负极的反向器件结构，以及叠层器件结构。反向器件结构具有更好的稳定性，在很多时候也呈现更高的效率。叠层器件结构可以扩展材料的太阳光利用范围，从而提高器件的效率。

中国在有机光伏领域总体上处于国际先进至领先水平，尤其是给体和受体光伏材料以及界面修饰层材料方面。

根据SCI论文统计，在2004－2013年的10年间中国有机光伏领域的论文数量和质量均有较大提升。2013年，中国在论文数、论文被引频次和Top1%高被引论文量占世界相应份额均居世界前两位。有机光伏研究领域的快速发展不过十余年，2004年，中国该领域的SCI 论文不到200篇，位居世界第2，排在美国（323篇）和日本（238篇）之后；2013年，中国该领域论文量已超过世界1/3的份额，超过了美国，居世界第1位。在2004－2013年的前5年期，中国有机光伏论文总被引频次占世界相应份额为11.5%，位居世界第2，约为世界第1位美国的三分之一；而在后5年期，中国论文总被引频次占世界相应份额增至 24.8%，虽仍低于美国，但已接近美国的份额（29.7%）。在2004－2013年的前5年期，中国 Top1%高被引论文的同期世界份额仅为8.0%，不仅低于第1位的美国，而且低于英国、日本和瑞士等国；在这10年的后5年期，中国Top1%高被引论文占世界相应份额已快速增长至25.7%，仅次于美国位居世界第2位（附表）。

有机光伏的研究领域最早可以追朔到1986年，当年美国柯达公司的邓青云博士使用p-型有机半导体做给体、n-型有机半导体做受体构筑了具有双层平面异质结结构的有机太阳能电池，光伏能量转换效率接近1%，开创了有机光伏的研究领域。到1995年，美国加州大学圣巴巴拉分校的Alan J. Heeger教授研究团队发表了本体异质结聚合物太阳能电池，他们使用共轭聚合物MEH-PPV为给体、可溶性富勒烯衍生物PCBM为受体，将两者共混制备活性层。这种本体异质结结构克服了有机半导体激子扩散长度短（一般只有10 nm左右）的问题，成为有机光伏的主流器件结构。不过，这两个工作发表之后并没有引起太多关注，到2000年前后只有奥地利林兹大学S. Sariciftci教授研究组在开展这方面的研究。2004年Sariciftci等将聚合物太阳能电池的能量转换效率提高到超过3%。2005年美国加州大学洛杉矶分校的Yang Yang组和美国加州大学圣巴巴拉分校的Heeger组通过热处理和溶剂处理把基于P3HT:PCBM的光伏器件效率提高到4%以上，从此开始，有机光伏领域进入了发展的快车道，其后获得了突飞猛进的发展。

就我国在该领域的具体研究而言，2000年之后，华南理工大学和中国科学院化学研究所的相关研究人员最先进入有机光伏研究领域。近10年来，我国的相关研究发展很快，特别是最近几年研究队伍不断壮大，在共轭聚合物给体光伏材料、新型富勒烯衍生物受体光伏材料、有机小分子光伏材料、非富勒烯（n-型有机分子和聚合物）受体光伏材料以及电极界面修饰层材料等方面均已达到国际先进水平，个别方面达到国际领先水平。但是，在有机光伏器件的器件物理（电荷分离、传输和复合机理、电荷转移态、活性层给体/受体共混互穿网络结构的表征和叠层器件等）等方面，中国与美国和英国等发达国家相比仍有差距。

近10年中国在国际上有重要影响的代表性成果如下。

（1）二维共轭聚合物给体光伏材料。中国科学院化学研究所的研究人员2004年在国际上率先提出通过共轭支链来拓宽聚噻吩的吸收和空穴迁移率的学术思想，合成了一系列带共轭支链的二维共轭聚噻吩衍生物，这类聚合物都具有宽的可见区吸收和较高的空穴迁移率，这都有利于给体材料光伏性能的提高。一种带二（噻吩乙烯）共轭支链的聚噻吩给体的光伏器件效率比最具代表性的聚噻吩P3HT提高38%。后来，他们又将这种二维共轭聚合物的设计思想拓展到了含苯并二噻吩（BDT）结构单元的共聚物体系，合成了一系列基于带噻吩共轭支链BDT单元的二维共轭聚合物给体材料，提高了对应聚合物的光伏性能。最近，李永舫等通过在这类聚合物的噻吩共轭支链上引入烷硫基进一步降低了材料的HOMO能级从而提高了光伏器件的开路电压。侯剑辉等通过进一步结构优化把这类二维共轭聚合物的光伏效率提高到10%以上。含噻吩取代BDT单元的二维共轭聚合物已发展成为一类有代表性的高效聚合物给体光伏材料。

（2）末端为受体单元的A-D-A型有机小分子给体光伏材料。南开大学的研究组最近几年合成了一系列末端为受体单元的线型A-D-A结构有机小分子给体光伏材料，通过调节分子中心给体单元和末端受体单元的结构，将有机小分子光伏材料的能量转换效率逐渐提高到接近10%，接近聚合物光伏材料的水平。这类工作在国际上也产生了重要影响。

（3）基于四联噻吩给体单元的高效D-A共聚物给体光伏材料。香港科技大学的研究人员最近通过烷基侧链结构的优化以及器件制备过程的优化控制，将基于四联噻吩为给体单元、苯并噻二唑或萘并噻二唑为受体单元的D-A共聚物给体材料的单结器件的光电能量转换效率提高至10%，最高达到11%，达到单结聚合物太阳能电池能量转化效率的国际领先水平。

（4）茚双加成富勒烯衍生物受体光伏材料。P3HT和PCBM是聚合物太阳能电池中使用的最具代表性的给体和受体光伏材料，但是相对于P3HT的HOMO和LUMO能级，PCBM过低的LUMO能级导致基于P3HT:PCBM器件的开路电压只有0.6V左右，效率一般不超过4%。中国科学院化学研究所的研究人员2010年首次报道了具有较高LUMO能级的茚双加成C60衍生物ICBA。ICBA的LUMO能级较PCBM上移0.17 eV，以其为受体、P3HT为给体的光伏电池Voc提高到0.84 V，效率达到5.44%。通过器件的进一步优化，效率提高到6.48%。他们还合成了对应的C70衍生物IC70BA，通过使用氯萘添加剂，基于P3HT:IC70BA器件的光伏效率提高到7.4%，创造了基于P3HT光伏器件效率的新记录。ICBA成为继PCBM之后又一个有代表性的高效受体光伏材料。

（5）负极界面修饰层材料。华南理工大学研究团队率先把带极性侧链的聚芴衍生物PFN应用到聚合物太阳能电池的负极修饰层，使聚合物太阳能电池的能量转换效率显著提高，他们把PFN用作基于PTB7:PC71BM活性层的常规结构器件的负极修饰层，2011年获得了8.4%的光伏效率，2012年他们又用PFN修饰ITO电极制备了反向结构聚合物太阳能电池，光伏效率提高到9.2%，连续创造了聚合物太阳能电池当时单层器件效率的最高记录。

有机光伏材料与器件的研究最近几年得到了快速发展，实验室小面积有机光伏器件的能量转换效率从10年前的4%左右最近提升到了10%的水平，叠层器件的效率超过了11%，到了可以考虑应用的阶段。为了实现实际应用，需要开展以下几方面的研究。

（1）继续开展高效给体和受体光伏材料及电极界面修饰层材料的研究和开发。开发新型高效给体和受体光伏材料以及新型电极界面修饰层材料是进一步提高有机光伏器件效率的关键。高效光伏材料需要具有宽的可见-近红外吸收、合适的电子能级、较高的电荷载流子迁移率、高的介电常数以及适当的聚集性能。在给体光伏材料方面，共轭聚合物或者是共轭有机分子的主链工程和侧链工程是提高给体光伏性能的重要分子设计手段。在主链工程方面最有效的手段是D-A共聚，这需要设计和合成新型高效的给体和受体结构单元，进一步优化和平衡上面提到的一些性质。在侧链工程方面，主要有使用共轭侧链拓宽吸收和提高空穴迁移率、使用吸电子取代基降低HOMO能级、改变柔性侧链结构调节聚合物分子之间的相互作用等。另外，使用极性侧链提高聚合物的介电常数应该引起足够重视，这方面研究的关键是在提高介电常数的同时需要保持原来聚合物的高的空穴迁移率和合适的电子能级。在受体光伏材料方面，在调节富勒烯衍生物受体材料的LUMO能级的同时需要保持其高的电子迁移率。开发n-型有机半导体非富勒烯受体材料近期将会有较快发展，这类材料与富勒烯衍生物相比具有吸收光谱和LUMO能级易调节的优点，关键是与给体材料共混后能够形成好的互传网络结构和具有高的电子迁移率。在电极界面修饰层材料方面，需要开发具有高稳定性、高电子迁移率和合适能级的负极修饰层材料以及具有高空穴迁移率和合适功函数的正极修饰层材料。

（2）开展大面积柔性有机光伏器件的研究，提高器件效率和稳定性。柔性器件是有机光伏器件的突出优势所在，也是将来最有希望获得大规模应用的领域。开发大面积柔性器件的廉价溶液加工制备技术、开发廉价稳定和高效的柔性透明电极材料、开发适用于柔性器件的阻水阻氧的封装材料等是这方面研究的重要内容。柔性器件的研究目标应该达到大面积模块器件的效率稳定超过5%，光照下的工作寿命超过5年。

（3）开展半透明有机光伏器件的研究。半透明器件是有机光伏器件的另一个突出优点。开发半透明器件的关键是透明顶电极材料和透明电极界面修饰层材料。透明器件的研究目标应该是大面积模块器件的效率稳定超过3%，工作寿命达到8~10年。这类器件将来可以应用到汽车和建筑物玻璃上，为节能汽车和节能建筑发挥重要作用。

总之，从1986年至今，有机光伏经过了近30年的发展，已成为一个重要的研究领域，实验室器件能量转换效率已突破10%，展示了光明的应用前景，其重量轻、低成本、柔性和半透明等突出优点将成为有机光伏与其他类型光伏电池竞争的优势。但是，大面积器件制备和稳定性是其走向应用需要解决的关键问题。预计未来5~10年，柔性和半透明有机光伏电池将会获得实际应用。