一直以來，基於薄膜工藝的有機太陽能電池（OSC）因其具有材料來源廣泛、容易化學修飾、工藝簡單、可大面積成膜、價格低廉等優點, 成為近些年國內外炙手可熱的研究領域。在OSC中, 給體與受體二元體系的兩個功能層以及緩衝層的種類與厚度, 對活性層的形貌有重要影響（活性層形貌的重要性在於決定了光生自由電荷的產生和遷移效率），進一步成為決定電池的短路電流密度（JSC）、開路電壓（VOC）、填充因子（FF）和光電轉換效率（PCE）等關鍵性因素，從而對電池的效能具有重要的影響。
圖1:基於P3HT/Cdse奈米棒的有機/無機太陽能電池
就聚合物給體材料而言，聚三己基噻吩（P3HT）是一種低成本，合成簡單，最容易大量合成的聚合物材料之一。因此，P3HT是非常適合作為商業化生產的聚合物給體材料。早在2002年，A. Paul Alivisatos等人就利用P3HT與CdSe奈米棒混合製備無機/有機太陽能電池，透過控制奈米棒的長度可以改變電子直接透過薄膜器件傳輸的距離，而透過改變奈米棒半徑可以調整帶隙從而最佳化電池的吸收光譜與太陽發射光譜之間的重疊，進一步使得混合電池在515nm、0.1mW/cm2單色光照條件下器件的PCE值達到6.9%, 在AM1.5模擬太陽光條件下效率達到1.5%[1]。而後不久，Franz Padinger等人就利用高溫回火迴圈技術來提高基於P3HT：PC61BM的OSC效能[2]。研究發現，使用這種處理技術，在施加外部電壓時，會導致JSC顯著增加，當白光下以800 W m-2的光照強度可以將JSC提高到8.5 mA cm-2，外部量子效率達到70％，PCE為3.5%。進一步的，多項研究使得基於P3HT：PC61BM共混製備的OSC的PCE提高到5%[3]。這些數字在目前看來或許不值一提，但是對於接近20年前的OSC領域已經是非常具有突破性的成果。
圖2:基於P3HT/ERCN(ORCN)有機太陽能電池
接下來的很長一段時間，各種基於P3HT作為給體材料的OSC不斷被開發出來，同時效能方面獲得了很大程度上的提高。比如，2018年，中國科學院大學黃輝教授研究團隊設計併合成了兩種具有非共價構象所結構的受體分子ERCN和ORCN（分子上的烷基鏈被烷氧基鏈取代）[4]。研究人員隨後測試了P3HT與這兩種受體混合所得的新型OSC裝置的效能，發現烷氧基鏈可以提高分子的HOMO和LUMO的能級，增強光吸收，並改善主鏈的剛性和電荷遷移率，調節分子取向和薄膜形態，促進JSC、VOC和FF協同增加，最終OSC裝置的最大PCE值為6.6％。
圖3:基於P3HT/TrBTIC有機太陽能電池
2019年，四川大學彭強教授研究團隊重新整理了基於P3HT的OSC效率的新記錄，突破了8%。研究人員設計了以三聚茚為核，苯並噻二唑-氰基茚滿二酮缺電基團作為端基，合成了全新受體小分子TrBTIC[5]。具有高HOMO/LUMO（-5.56/3.62 eV）能級的TrBTIC（Egopt=1.80 eV）的中帶隙與P3HT的大帶隙（Egopt=1.9 eV，HOMO/LUMO=-5.0/3.1 eV）能夠很好地匹配，並且改善了較長波長區域的光收集能力。研究發現，基於P3HT:TrBTIC的混合OSC溶液在老化40分鐘後，活性層共混物達到了最最佳化的相分離形貌，從而有利於激子解離和電荷傳輸，最終的裝置PCE達到了8.25%，這在目前看來仍然是很高的效率。
對於P3HT來說，儘管目前基於其所製備的OSC的效率不如基於PM6等熱門聚合物給體材料。但是另一方面，P3HT的合成方法簡單明瞭，易於大量生產，而且其最高最低空位分子軌道能級可以確保有效的電荷轉移。目前，基於P3HT的大面積，卷對卷製造技術已經得到廣泛開發，有極大希望成為商業化OSC的最佳給體材料。
參考文獻：
[1] Science. 2002, 295, 2425-2427.
[2] Adv. Funct. Mater. 2003, 13, 85-88.
[3] Adv. Funct. Mater. 2005, 15, 1617-1622.
[4] Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803012.
[5] Adv. Mater. 2019, 31, 1906045.
文獻地址：
[1] https://doi.org/10.1126/science.1069156
[2] https://doi.org/10.1002/adfm.200390011
[3] https://doi.org/10.1002/adfm.200500211
[4] https://doi.org/10.1002/aenm.201803012
[5] https://doi.org/10.1002/adma.201906045
文中涉及材料：
P3HT（104934-50-1）