太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源.为了解决世界能源危机,太阳能的开发和利用引起了人们的极大兴趣[1～4].太阳能电池可以将太阳能直接转换为电能,是太阳能利用的最有效途径.而有机太阳能电池由于其低成本、轻质、可制备大面积柔性器件而备受关注.有机太阳能电池典型的器件结构是由ITO透明阳极、金属阴极以及夹在它们之间的光活性层组成,根据光学活性层结构又可分为给体/受体双层太阳能电池和给体/受体共混的本体异质结太阳能电池.当太阳光透过透明的ITO电极照射到活性层上时,活性层内的给体和受体材料吸收光子产生激子,激子扩散到给/受体界面分离为电子和空穴,电子通过受体材料运输到阴极并被收集,空穴则通过给体材料传输,在阳极处被收集,从而产生了电流[5,6].显然,给/受体材料的光学性能(吸收波长和吸收系数)、电荷迁移率、能级结构以及薄膜形态对有机太阳能电池的性能起到了重要的作用.就能级结构来说,给体材料的HOMO和LUMO能级要高于受体材料的HOMO和LUMO能级,这样在给/受体界面处,电子才能从给体的LUMO能级自发地跃迁到受体的LUMO能级上,空穴也能自发地从受体的HOMO能级传递到给体的HOMO能级上,从而实现电荷分离.近20年来,有机太阳能电池的研究在世界范围内掀起了一股热潮。
     到目前为止,其效率已经达到8.12%～10.6%[7～9].自从第一个双层异质结太阳能电池报道以来[10],近年来在材料和器件制备等方面都得到迅速发展,为了制备高效率的太阳能电池,除了优化有机光伏器件结构,另一个最基本的方法就是寻找新型的有机光伏材料.有机光伏材料从分子质量来分有聚合物和小分子两类,小分子相对于聚合物更易纯化,溶解性好,易于化学修饰;根据传递电荷的种类又可以分为p型和n型,也就是给体材料和受体材料.目前广泛应用给体材料一般是低能隙、具有D-A结构的小分子或聚合物[6,11,12],受体材料则主要是富勒烯(C60)及其可溶性衍生物PCBM[13,14]。
     富勒烯及其衍生物作为受体材料有它独特的优势,首先它的球形结构能使电荷实现三维传输,即使在复合膜中也有高的电子迁移率[15,16];其次它具有较低的LUMO能级能快速有效地从给体材料得到电子,提高载流子的分离,因此,目前高效的器件主要是围绕富勒烯衍生物展开[1,17].但是富勒烯类受体材料也存在一些缺点,比如,它们在可见光内几乎没有吸收、制备和提纯困难、成本较高、由于能级结构难于调节器件的开路电压受到限制等,一定程度上限制了有机太阳能电池效率的进一步提高[18].理想的受体材料必须克服这些缺陷,实现给体受体材料光学吸收互补,最大程度利用太阳光,并实现更高的开路电压,从而获得更好的器件性能,如高的电池效率、更长的寿命.非富勒烯类有机小分子受体材料易于化学修饰,成本较低,便于大批量生产;并且它们的吸收峰较宽而且能级易调控,方便与众多的给体材料匹配,因此可能取代富勒烯及其衍生物作为新的受体材料而得到广泛研究,本文介绍了几类目前报道的非富勒烯类的有机小分子受体材料。    
     1苝二酰亚胺(PDI)类
     苝二酰亚胺类(PDI)衍生物是在太阳能电池中研究得最早最多的非富勒烯类受体材料之一,这类材料得到广泛研究,一方面是它们具有优异的光、热和化学稳定性,另一方面是它们具有大的共轭平面结构,强拉电子的酰胺基团使它们具有高的电子亲和力和迁移率,是一类典型的n型材料.1986年Tang[10]最先报道的双层异质结太阳能电池就是以N,N-二苯并咪唑-3,4,9,10-苝四羧酸二酰亚胺(PV,图2,2a)作受体、酞菁铜(CuPc)作给体(ITO/CuPc/PV/Ag),器件的开路电压(Voc)＝0.45V,短路电流(Jsc)＝2.3mA•cm－2,填充因子(FF)＝65%,电池效率(PCE)达到0.95%,用ZnPc取代CuPc后,效率提高到1.3%[19].后来,以2a的顺式异构体2b作受体,CuPc作给体的双层异质结器件,发现2b的效率比2a略低,为0.93%(2a为1.1%)[20]。
     为了增加PDI的溶解性,人们在酰亚胺的N原子上引入柔性烷基链得到可溶的苝受体,例如,用乙基丙基取代的苝二酰亚胺3a,与不同的给体材料通过旋凃法制备有机光伏器件,3a∶聚(2-甲氧基-5-乙基己氧基)-1,4苯乙烯撑(MEH-PPV)为7∶3混合,混合膜的最大外量子效率只有0.71%(492nm处),AFM结果表明,苝形成了微米尺寸的结晶[21];当3a和P3HT混合时(20%),经过退火外量子效率增加到11%(495nm处),PCE达到0.19%;当给体替代为聚咔唑时,PCE提到0.63%(Jsc＝0.26mA•cm－2,Voc＝0.71V,FF＝37%)[22],原因是3a与聚咔唑的能级更匹配,在300～600nm光谱区域内都有强的吸收.尽管如此,3a和聚合物混合形成结晶区域的趋势限制了以3a为受体的器件的效率,因为结晶区域形成了电子陷阱,降低了光电流.然而,3a的高结晶率在和盘状液晶六苯并蔻(图1,6)混合时却能发挥它的优势[23～25],因为给受体不同的溶解度和堆叠结构,分离形成了垂直的棒状结构,有利于电子的传输,当5a∶3a为60∶40的比例混合,在490nm处最高外量子效率EQE＝34%,PCE接近2%[24].除了在酰亚胺上连接戊烷基,研究者们也合成了用其他取代基连接在酰亚胺上的苝二酰亚胺(3b～3h)[19,26～28],当它们和P3HT,CuPc或者ZnPc混合时,最高效率达到0.3%,它是ZnPc和3f混合的双层器件,因为ZnPc和3f上的螯合吡啶基团促进了光诱导载流子在体系中的收集[26]。