有机光电功能材料

第三节　有机光电功能材料

自20世纪50年代以来，有机光电功能材料的研究一直受到科学家的广泛关注。具有共轭结构的有机分子材料由于具有独特的电子结构和性能，因而在有机太阳能电池、有机电致发光、有机固体激光、有机场效应晶体管、光电传感器、超高密度光信息存储、生物成像以及光动力治疗等许多高科技领域有着广阔的应用前景。

目前，有机功能材料的研究主要方向有：有机光电功能材料的设计与合成、有机光电功能材料的结构与性能等。科学家特别关注高性能有机太阳能电池材料和有机发光材料的设计与合成、结构与性能、器件应用及相关物理过程的研究。

一、有机光电功能材料的设计与合成

（一）高性能有机太阳能电池材料

太阳能电池是利用太阳能的有效途径。有机太阳能电池具有材料来源广泛、质量轻、制备工艺简单、柔性和可大面积制备等优点。为了获得宽吸收、窄带隙、合适能级、高载流子迁移率的有机太阳能电池材料，科学家设计合成了一些具有给受体结构的有机高分子材料。给受体结构分子的分子内电荷转移效应使分子的吸收发生红移；具有较好平面性和共轭性的强给电子能力和强吸电子能力的基团的引入，能够增强固态下分子间的π¯π相互作用，进一步拓宽分子的吸收并调节能级结构；载流子传输基团的引入，能够提高分子的载流子传输能力。这些都有助于获得高性能的有机太阳能电池材料。

（二）高固态荧光量子效率有机发光材料

有机发光材料在有机电致发光、固态激光、荧光探针、生物成像等领域具有广阔的应用前景。在器件中，有机发光材料普遍以固体或薄膜形式存在，因此材料的固态荧光量子效率是影响器件性能的重要因素。通常情况下，有机发光材料在稀溶液中具有较高的荧光量子效率；但当溶液浓度增加或在固态时，许多材料由于聚集而导致发光效率明显降低，这严重制约了有机发光材料的实际应用。因此，设计合成高固态荧光量子效率的有机分子，对于开发高性能有机发光材料具有重要意义。科学家设计合成了一系列具有聚集诱导发光（增强）性质的有机分子，通过调节分子结构和引入特定的基团，分子间能够形成特定的聚集态结构，从而实现高的固态荧光量子效率。

二、有机光电功能材料的结构与性能

（一）有机太阳能电池活性层的结构与性能

有机聚合物太阳能电池的活性层一般为电子给体材料与电子受体材料（通常为PCBM）的混合膜。当活性层吸收光子后，会产生激子，激子在有限的扩散长度内到达给体与受体的界面，并在界面处分离成自由载流子（电子和空穴），而载流子在各自的主体中传输到电极。要获得高的激子分离效率和载流子传输效率，就要求活性层中给受体两相既要具有较大的接触面积，又要具有连续的载流子传输通道。因此，活性层的聚集态结构和形貌的调控是获得高性能太阳能电池的重要途径。通过对材料本身的内在性质（如分子结构）以及器件制备过程中的外在因素（如溶剂、浓度、各组分配比）的调控，可揭示不同因素对活性层的聚集态结构和形貌以及有机聚合物太阳能电池器件性能的影响。

有机太阳能电池材料

（二）有机发光材料的聚集态结构

有机光电功能材料的分子堆积模式是由分子间的超分子相互作用（如范德瓦耳斯力、ππ相互作用、氢键、静电相互作用等），以及这些力的协同作用决定的，深入认识分子间超分子相互作用及其协同效应的本质是调控分子堆积模式与聚集态结构的关键。通过改变分子结构、取代基种类、晶体生长条件等可以调控分子间相互作用、分子的堆积模式及聚集态结构。

三、有机太阳能电池的器件设计与制备

（一）新型结构有机太阳能电池

有机太阳能电池经历了单层结构、双层异质结结构和体异质结结构等发展阶段，每个新的器件结构都会大大提高器件的性能。因此，设计新型的器件结构、优化器件制备条件一直是有机太阳能电池研究领域的重要课题。

利用简单的溶液旋涂方法，可以制造一种具有平面互渗结构的，结合了双层异质结太阳能电池载流子传输和收集效率高，以及体异质结太阳能电池的激子分离效率高等优点的高分子太阳能电池器件。以用氧化锌、二氧化钛等修饰的氧化铟锡或掺氟二氧化锡基底作为电池阴极，发展了一种无需真空过程制备有机高分子太阳能电池的方法，克服了传统高分子电池制备工艺复杂、制备时间长、成本高、耗能高、不利于大面积制备等缺点，为有机高分子太阳能电池的工业化生产提供了一个简便有效的方法。

（二）有机—无机复合太阳能电池

有机—无机复合太阳能电池是基于有机共轭高分子—无机纳米复合材料体系的太阳能电池。因其同时具备有机高分子材料成膜性好，能级结构及带隙易于调节，可以通过湿法制备低成本、大面积、柔性太阳能电池器件的优点，以及无机纳米材料稳定性高，迁移率高，可构筑有序纳米结构的优点，而成为近年来太阳能电池领域的研究热点。科学家通过设计合成一系列带有功能化基团的新型高分子材料以及无机纳米晶材料，调节有机—无机两相的分离尺度以及复合膜的表面形貌，有效改善了有机—无机两相的相容性以及电荷传输性质，提高了有机—无机复合太阳能电池的能量转换效率。

四、新型荧光材料在生物检测中的应用

具有光电功能的有机材料以其独特的光谱特性以及优良的化学稳定性，在气体传感、生物分子识别和标记、细胞显微成像以及活体细胞的实时分析等方面展现出了独特的优势。科学家设计发展了新型有机荧光材料，通过自组装方法，制备了高荧光量子效率的功能化纳米材料，并通过对纳米材料的修饰和改性，实现了具有特异性识别和相应特性的功能。