光电转换高分子材料

能源问题是人类面临的最现实问题。它不仅仅表现在常规能源的不足，更重要的是化石能源的开发利用带来的诸多环境问题。目前全球热点问题是如何迎接在能源短缺和环境保护双重制约条件下实现经济和社会可持续发展的重大挑战。

太阳能是可再生能源，是真正意义上的环保洁净能源，其开发利用必将得到长足的发展，并终将成为世界能源结构中的主导能源。太阳能的开发利用必将得到长足的发展，并终将成为世界能源结构中的主导能源。

从此种社会现状出发，研究光电转换高分子材料势必成为人们解决能源问题的一条可行性方向。

简而言之，光电转换材料是一种能将光通过一定的物理或化学方法变成电能的功能材料 光电转换过程的原理是光子将能量传递给电子使其运动从而形成电流。

物质在光激发下产生电子、空穴载流子后，在外加电场作用下，电子移向正极，空穴移向负极，因而在电路中有电流流过，这种现象称为光电导。许多高分子材料在暗处，是绝缘体或半导体，但在光照下变成良导体，这就是我们所说的光电导高分子材料。

物质光照射激发后，由于激发能的转移产生离子对(离子自由基)被认为是产生载流子的先决条件。严格地说真正能称光导材料的物质发生载流子的量子效率高，寿命长，载流子迁移率大

当电子从外界获得能量时将会跳到较高的能阶，获得的能量越多跳的能阶也越高，电子处在较高的能阶时并不稳定，很快就会把获得的能量释放回到原来的能阶。如果电子获得的能量够高就摆脱原子核的束缚成为自由电子，电子空出来的位置则称为空穴。如果只是单纯的产生自由电子与空穴，将会因为摩擦及碰撞等因素失去能量，最后自由电子会与空穴复合而无法利用。为更有效的利用由电子与空穴来产生电流，因此必须加入电场使自由电子与空穴分离进而产生电流。

共轭聚合物吸收光子以后并不直接产生可自由移动的电子和空穴, 而产生具有正负偶极的激子(exciton). 只有当这些激子被解离成可自由移动的载流子, 并被相应的电极收集以后才能产生光伏效应. 否则, 由于激子所具有的高度可逆性, 它们可通过发光、弛豫等方式重新回到基态, 不产生光伏效应的电能. 在没有外加电场的情况下, 如何使激子分离成自由载流子便成为聚合物太阳能电池正常工作的前提条件。电子给体/ 受体方式是实现有机光伏电池中激子分离的有效途径.

光电转换高分子材料可分为：链中含有共轭键的聚合物，如聚乙炔、聚席夫碱、聚多烯、聚硅烷等；侧链或主链中含有稠合芳烃基的聚合物；侧链或主链具有杂环的聚合物，如聚乙烯咔唑及其衍生物；以及一些生物高分子及其类似物。

聚乙烯咔唑及衍生物是当今研究较多，应用开发较好的一类光电材料。

其聚集态结构是一堆砌成类似于六角形的刚性棒状结晶的PVK链，它仅横向有序。 链上相邻的咔唑上的丌电子沿同一主链相互重叠，从而有利于载流子的迁移。 目前倍受关注的高分子材料有P3HT，PCBM。

P3HT作为光电转换材料的特点，是具有更低的能隙，利于对于太阳光长波段的吸收，好的分子间序，以及更好的载流子迁移能力，尤其是空穴传输率可达10-2cm2v-1s-1 PCBM作为光电转换材料的特点主要是好的电子亲和势，透明性好以及良好的电子传输性能。

P3HT和PCBM的结构如图1，2所示。

随着光电转换材料不断深入，光电转换高分子材料在实际中某些方面已经有了比较成熟的应用。其应用主要体现在有机太阳能电池，OLED显示器件，静电复印技术以及其他。

太阳能电池是太阳能光伏发电的基础和核心，是一种利用光生伏打效应把光能转变为电能的器件。用适当的光照在上面之后，器件两端会产生电动势。

传统硅太阳能电池成本昂贵、工艺复杂、材料要求苛刻，而有机太阳能电池，具有潜在的低成本、轻重量和分子水平的可设计性的特点。

聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混膜夹在ITO透明正极和金属负极之间所组成，具有结构和制备过程简单、成本低、重量轻、可制备成柔性的器件等突出优点。近年来成为国内外研究热点。

OLED是有机发光二极管，是指有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象。

其原理是用ITO透明电极和金属电极分别作为器件的阳极和阴极，在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层，电子和空穴分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层，并在发光层中相遇，形成激子并使发光分子激发，后者经过辐射弛豫而发出可见光。

作为平板显示器件，OLED与使用最普遍的LCD相比，拥有面板薄、对比度高、响应速度快、功耗低、视角宽、重量轻等，尤其值得一提的优势更在于OLED屏可以弯曲、折叠、甚至可以像一张纸一样挂在墙上，放在口袋里，以至镶嵌在衣服里，不用时是衣服的一部分，需要时则可显示必要的信息。

未来光电转换高分子材料的研究还应致力于在应用的进一步成熟，解决目前此种材料在应用中的软肋。

OLED在前进的道路上还面临若干艰难险阻，主要有三：其一，价格昂贵，原因在于生产规模尚小，导致制造和材料成本难于下降，其二，寿命短，目前OLED寿命只有2万小时，商用化至少应有5万小时;其三，OLED屏当下主要仍是中小尺寸的，大约有六成用于手机，四成用于MP3，用于电视的大尺寸屏还有待突破。

伏器件是太阳能利用的最为重要的手段之一,有机太阳电池在此类器件中将承担极其重要的角色。但低的光电转换效率是阻碍其产业化的瓶颈。

光电转换高分子材料在应用的进一步成熟与完善，将带来材料领域的，其前景一光明。