有机光电高分子材料研究热点和前沿分析

张杰，张元晶，张慧卿，张磊

（1北京化工大学图书馆，北京100029；2北京化工大学软物质科学与工程高精尖创新中心，北京100029）

引 言

光电功能材料是信息高新技术发展的物质基础，光电功能高分子材料兼具导电高分子和发光高分子的特征，不仅具有金属或半导体的电子特性，而且要比金属或晶体半导体容易加工得多，为廉价加工电子器件带来了希望[1]。更重要的是可溶液加工的光电功能高分子材料可以作为电子“墨水”，与传统印刷技术(喷墨打印、胶印等)相结合将使电子器件的制造发生革命，还可以实现一些需要特殊力学性质的应用(例如柔性器件)[2]。由于这些特殊的优点，国内外学术界及产业界都在加大对这一领域的投入，使有机电子学得到了快速发展。目前，基于高分子材料“电-光转换”特性、继液晶之后的新一代有机发光二极管(OLEDs)显示技术已成功实现了商业化，走进人们生活。而基于聚合物半导体材料“光-电转换”特性的聚合物太阳电池(OPVs)也成为了国际上研究的热点，已成为高分子科学与信息科学领域交叉的国际科学前沿和重大研究方向[3]。对该领域研究前沿和热点的探究分析，将有助于科研工作者、决策者对研究领域内的处于领先位置的成果和思想的了解和把握，清晰地了解本领域研究的发展态势，从而科学地开展工作和精准施策。

本文将基本科学指标数据库(Essential Science Indicators,ESI)与Citespace两种文献分析工具相结合，获取有机光电高分子材料领域的研究热点及前沿，探究了该领域受关注及深入探讨分析的研究主题，最新研究成果，及创新成果的演变进程。

1 文献来源和研究方法

1.1 文献来源

本文涉及的数据来自Web of Science核心合集的SCIE，检索时间为2020-04-02，时间范围2001—2019年，通过如下检索式得到有机光电高分子材料领域的高被引论文1140篇，热点论文38篇。

检索式：主题:polymer*not“polymeric substrate$”or“conjugated polymer$”AND主 题:

“organic field effect transistor$”or“solar cell$”or“donor accept*polymer$”or“donor polymer$”or“accept*polymer$”or“bulk heterojunction”or“thin film transistor$”or“carrier$mobility”or“charge$Mobility”or“polymer solar cell$”or“Low energy band gap”or“fullerene acceptor”or“non-fullerene acceptor”or“charge transport layer$”or“bulk heterojunction solar cell$”or“ternary organic solar cell$”or“all-polymer solar cell$”or“organic tandem solar cell$”or“organic electronic material$”or“organic photovoltage$”or“organic transistor$”or“polymer photovoltaic cell$”or“heterojunction solarcell$”or“organic photovoltaic cell$”or“photovoltaic application$”or“photovoltaic performance$”

1.2 研究方法

从文献计量学的角度，在某学科领域内被引频次高的研究型文献通常是该领域研究热点的集中体现。通过高被引论文和热点论文分析可以快速定位高影响力成果。ESI是基于Web of Scinece数据的衡量科学研究绩效、跟踪科学发展趋势的重要分析评价工具。来自ESI的高被引论文(highly cited paper)，是指过去10年中所发表的论文，其总被引次数排在同学科发表的论文中进入全球前1%。从文献计量学的角度看，其数量特征可以从宏观上反映学科发展水平；其内容特征可以体现学科的研究热点与前沿，指引学科发展方向[4]。

科学文献分析工具CiteSpace，通过对文献进行共被引、聚类、时区演进等分析，构建文献共被引、关键词共现以及突变词网络、时区可视化知识图谱；并用其突变词探测技术和算法对词频的变动趋势进行分析，展现学科研究领域的发展脉络、研究热点和前沿以及发展态势。

本文通过对有机光电高分子材料领域的ESI高被引论文和热点论文，及CiteSpace文献分析工具挖掘出的热点关键词文献进行分析，综合两种分析方法来探究该领域的研究热点、前沿及发展进程。

2 研究热点探究

2.1 获取相关研究热点文献及分析

2.1.1 基于基本科学指标评价基准数据库（ESI）的热点文献分析

ESI热点论文定义为过去2年中所发表的论文中，其近2个月被引频次排在学科前0.1%的论文。在Web of Science数据库通过检索式检索得到有机光电高分子材料领域热点论文38篇，涉及如下研究内容。

(1)高性能活性层材料的设计合成[5-31]

设计合成性能优良的稠环电子受体材料新体系，特别是强可见/近红外光吸收、高电子迁移率、高激子扩散系数的受体材料。发展二维结构的聚合物给体材料，共轭主链和共轭侧链协同优化改善材料性能。通过稠环电子受体和二维聚合物给体的协同优化和匹配实现高性能的非富勒烯聚合物太阳电池。

(2)对材料结构-性能关系的研究[32-33]

优化活性层共混物的形貌；通过调控异构体的细微变化来影响它们的电子、光学、电荷传输和形态特性。

(3)有机太阳能电池活性层能量损失研究

结合光谱和量子化学的方法来确定降低电压损耗的主要因素：①给体和受体之间较小的能级差，②窄带隙组分具有高光致发光效率[34]。

(4)串联结构的有机太阳能电池

使用叠层有机光伏器件结构策略来克服有机材料的电荷迁移率低，导致活性层厚度和有效的光吸收受到限制问题，实现了两端单片溶液处理的串联式有机光伏电池(OPV)，并利用有机材料的高多样性和易调节的能带结构，实现了17.29%的功率转换效率[35]。

(5)由聚合物给体和聚合物受体组成的全聚合物太阳能电池[36-37]。

(6)钙钛矿太阳能电池[38-39]

钙钛矿聚合物整体异质结结构发光二极管，发光层包括准二维和三维(2D/3D)钙钛矿和绝缘聚合物，其外量子效率高达20.1%；无需MA(methylammonium)的高效、稳定钙钛矿太阳能电池。

(7)其他[40-42]

一种固有可拉伸的聚合物晶体管阵列；有机电化学晶体管；有机半导体晶体。

2.1.2 基于Citespace可视化分析工具获取热点关键词对应的文献分析

2.1.2.1热点关键词的确定。

研究热点是某一时期内，有内在联系的、数量相对较多的一组文献共同探讨的科学问题或专题。关键词是一篇文章的核心和精髓所在，是对文章主题的高度概括和精炼。对文章的关键词进行分析，频次较高的关键词在一定程度上可以看作是该领域的研究热点。

本文把关键词作为考察对象，通过显示高频关键词来确定全球有机光电高分子材料领域的研究热点，同时通过高中心度的词汇架构起关键词之间的桥梁，考察研究热点的转化，从而可视化地展现该领域研究热点的动态变化。高频次关键词和高中心度关键词均属于技术热点关键词。

通过CiteSpace软件对1140条ESI高被引文献数据(2009—2019年)进行关键词共现分析，设定显示共现频次大于50的关键词名称，综合考虑共现频次和中心度，提取18个热点关键词(表1)，这些热点关键词构成了有机光电高分子材料研究热点的基本框架，即通过对有机太阳能电池的给体、受体等材料的设计与合成，给体受体的匹配、共混形态控制、电荷传递等研究，获得高效太阳能电池。

表1 有机光电高分子材料高被引论文热点关键词Table 1 Hot keywords from highly cited papers in organic photoelectric polymer materials

2.1.2.2热点关键词对应的文献选取与分析。

对应热点关键词，选取2016—2019年被引用频次高的Article文献90篇，通过分析归纳出如下有机光电高分子材料受关注的研究主题。其中有机太阳能电池研究是主要的关注点，相关文献(69篇)占比近76.7%。

(1)有机太阳能电池。

①给体、受体材料的设计合成：设计合成具有宽而强的可见光吸收、溶解度良好、高迁移率，与给体具有良好的相容性、平衡的载流子迁移率、能级匹配的受体材料[9,13,18,22,24-26,30,43-59]；设计合成高性能聚合物给体材料[14,60-67]：二维共轭聚合物，低能级的氯代聚合物给体，宽带隙共聚物等。给体材料和受体材料的协同匹配提高电池转换效率[11-12,17,68]，通过引入功能性的第三组分，构建三元有机太阳能电池[69-71]；全聚合物太阳能电池[72]等。这部分内容占据当前有机太阳能电池研究的主导地位，69篇文献中，60.9%的文献报道了相关内容。

Zhao等[43]设计合成了一种新型非富勒烯有机太阳能电池的聚合物给体(PBDB-T-SF)和小分子受体(IT-4F)，研究论氟取代对给体和受体的吸收光谱、分子能级及电荷转移的影响，并且实现了超过13%的光电转换效率。Zou等[13]报道了一种新型的非富勒烯受体Y6，采用了一个以缺电子核为基础的梯形中心稠合环(二硫代噻吩[3.2-b]-吡咯苯并噻唑)和一个苯并噻唑(BT)核来调节其吸收和电子亲和势。基于Y6制成的有机光伏器件的效率为15.7%。其中反向器件结构在恩力技术实验室得到认证，认证的效率为14.9%。Holliday等[46]提出了一种新的非富勒烯受体(IDTBR)，和可以与其形成良好匹配的宽带隙给体聚(3-己基噻吩)组成活性层材料，实现了6.4%的光电转换效率。

Bin等[60]开发了一种三烷基硅基取代的二维共轭聚合物，将该聚合物与非富勒烯受体结合得到了11.41%的转换效率；Zhang等[26]通过合成两个聚合物给体，PBDB‐T‐2F和PBDB‐T‐2Cl，并对其进行了细致的研究对比，发现两者具有相似的光电特性，进而说明了氯取代高性能聚合物给体的可行性。这两种聚合物具有非常相似的光电和形貌特性，只不过氯化聚合物的分子能级低于氟化聚合物。Fan等[68]研究了氟化对高效非富勒烯聚合物太阳能电池的给体材料和受体材料的协同效应，以提高太阳能电池的高转换效率。展望了将来用于大规模rollto-roll前景。

Zhang等[70]进行了以ITCPTC为受体，以PBDBT为给体的三元非富勒烯聚合物太阳能电池的研究。Gao等[72]报道了基于吸收互补的聚合物给体和受体的全聚合物太阳能电池，取得了8.27%的转换效率。

②结构/能级/界面调控、稳定性的改善、形貌表征技术和方法。通过化学修饰来调控小分子电子受体的能级[73]；结晶性微调和溶剂退火对全聚合物太阳能电池的协同作用[74]；通过甲基取代精细调整分子堆积和能级[75]；给体的双重敏化剂和加工助剂特性[76]；有机太阳能电池中相互作用参数、混溶性与功能之间的定量关系[77]；精确的侧链优化纤维网络形貌[78]；沿稠合环电子受体骨架排列的隐藏结构增强 三 元 体 异 质 结[79]；氟 化 作 用 对indacenodithienothiophene(IDTT)分子堆积、电荷分布以及太阳能电池光电响应的影响[80]；利用非共价键构象锁作为聚合物太阳能电池中高性能稠环电子受体的设计策略[81]；采用有利的分子取向的高效倒置聚合物太阳能电池[82]；通过空穴传输层(HTL)修饰提高填充因子[83]；基于侧链的吡咯并吡咯二酮基聚合物半导体的结构-性能关系[84]；氟原子对naphthobisthiadiazole基半导体聚合物的电子性质、有序结构和光电性能的影响，导致了太阳能电池中更高的开路电压[85]。导电聚合物中混合的离子/电子输送的结构控制[86]；研究导电聚合物的电荷-输运模型[87]；在非共轭聚合物中间层中结合富勒烯和两性离子提高太阳能电池效率[88]等。

③低能量损耗的研究。改进的电荷传输和减少非辐射能量损失，使三元聚合物太阳能电池的效率超过16%[8]；在非富勒烯有机太阳能电池中具有较小驱动力的快速电荷分离的研究[89]；提高电荷转移的驱动力的方法,同时实现很小的能量损失,高开路电压和高效率的非富勒烯有机太阳能电池[90]；非富勒烯受体的强的分子内电子推拉效应，减少振动弛豫，减少能量损失[91]；基于C8‐ITIC的超小能量损失的高效单结太阳能电池[92]。

④串联结构的有机太阳能电池。高性能的可溶液加工的串联太阳能电池[93]；通过微调光活性和互联层，提高非富勒烯串联有机太阳能电池效率，实现超过13%的效率[94]；使用串联电池策略来克服有机材料的电荷迁移率低，导致活性层厚度和有效的光吸收受到限制问题，实现了两端单片溶液处理的串联式有机光伏电池(OPV)[35]；对叠层有机太阳能电池中的前、后子电池之间的光谱匹配性进行了优化调制，实现了对300～1000 nm范围内太阳发射光谱的高效利用[95]；基于新型高效宽带隙非富勒烯受体的15%效率串联有机太阳能电池，具有低能量损耗[96]。

(2)钙钛矿太阳能电池。一种基于空间间隔的分子设计，以提高二维钙钛矿的传输性能，通过阳离子氟化增强了二维钙钛矿中的电荷输运[97]；聚合物掺杂的高效率钙钛矿太阳能电池并改善水分稳定性[98]；以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为模板，控制成核和晶体生长，制备具有优异电子性质的光滑钙钛矿薄膜，表现出长的光致发光寿命[99]；垂直定向的二维钙钛矿的形成机制[100]；一种便宜、长链和吸湿的聚合物支架用于自修复钙钛矿太阳能电池[101]；聚合物钝化无机铯铅混合卤化钙钛矿用于制备高效太阳能电池[102]；一种基于全溶剂型的合成路线，用于生产可印刷的多晶钙钛矿[103]。

(3)薄膜晶体管、场效应晶体管。一个高增益，全喷墨印刷肖特基势垒有机薄膜晶体管放大电路[104]；有机场效应晶体管中由于门控触点引起的迁移率过高评估[105]；通过氢键操纵缺电子聚合物的共面骨架构象，显著改善单极n型晶体管的性能[106]；用于场效应晶体管的半氟化烷基侧链诱导聚合物半导体的刚性骨架结构研究[107]；平衡的双极性聚合物用于柔性晶体管[108]；噻唑酰亚胺基全受体均聚物在有机薄膜晶体管中的高性能电子传输[109]；导电聚合共混物的熔融共混对高性能有机场效应晶体管的影响[110]；(半)阶梯型双噻吩类酰亚胺基全受体半导体的合成、结构-性能相关性和单极n型晶体管性能[111]。

(4)组装、加工方法、特殊性能等。基于溴代环戊烷甲基醚(CPME)的绿色溶剂系统，将全聚合物太阳能电池的功率转换效率提高到11%[112]；研究混合银纳米线和石墨烯基溶液处理的有机光电子透明电极[113]；以准二维钙钛矿/聚氧乙烯复合薄膜为发光层的高效、光谱稳定的红色钙钛矿发光二极管[114]；三叶的螺烯螺旋桨与三维网络组装的有机电子器件[115]；超柔性和整合的三色、高效聚合物发光二极管和有机光电探测器来实现光电子皮肤[116]；采用了一种新的三甲基铝蒸气交联法制备高效钙钛矿纳米晶体发光二极管[117]；一种溶液加工方法，以阻止电分流，从而提高钙钛矿器件的电致发光量子效率[118]；开发了一种连续的槽型涂层工艺，以生产高效的钙钛矿太阳能电池，并用于大规模的Roll-to-Roll印刷工艺[119]。

2.2 研究热点

综上，利用上面两种方法，通过对2018—2019年2年中所发表、其近2个月被引频次排在学科前0.1%的ESI热点论文，及文献分析工具Citespace对近10年高被引论文，选取近4年引用频次高的Article文章进行分析，得到有机光电高分子材料研究领域的研究热点分布(图1)。人们广泛关注并深入研究的方向主要是有机太阳能电池(88篇)，其次为钙钛矿太阳能电池(11篇)，晶体管(9篇)，发光二极管(2篇)。

图1 有机光电高分子材料研究领域的研究热点分布Fig.1 The distribution of research hotspots in the field of organic optoelectronic polymer materials

有机太阳能电池的具体研究热点内容总结如下。

（1）高性能活性层材料的设计合成。设计创造性能优良的稠环电子受体材料新体系，特别是强可见/近红外光吸收、高电子迁移率、高激子扩散系数的受体材料。发展二维结构的聚合物给体材料，共轭主链和共轭侧链协同优化改善材料性能。通过稠环电子受体和二维聚合物给体的协同优化和匹配实现高性能的非富勒聚合物太阳电池。

(2)高性能界面材料的设计合成及其界面调控性能的研究。调控和优化金属电极与有机半导体活性层之间的软/硬材料界面是提升有机太阳能电池性能的一个重要手段。在有机太阳能电池中，对金属阴极的界面修饰可以降低电极的功函，增强器件的内建电场，减少载流子复合损耗，从而提高电池的开路电压(VOC)、短路电流(JSC)和填充因子(FF)。因此，围绕着新型界面修饰材料的设计合成以及器件工艺的优化，界面工程已经成为进一步增强器件性能和稳定性的重要手段。这一方向的研究主要关注于界面电子结构的调控、界面能级对器件物理工作过程的影响、界面稳定性的改善和界面形貌表征的技术和方法学。

(3)电池器件中有机半导体活性层表界面的可控掺杂。有机半导体与金属电极之间形成的软/硬材料界面对器件性能有重要影响，其核心是界面能级结构的调控和稳定性。通过界面可控掺杂可以实现界面处能带匹配，降低电极与有机半导体层之间的肖特基能垒，提升界面处载流子传输性能。

（4）有机太阳能电池活性层能量损失研究。有机太阳电池器件能量损失主要可分为辐射、非辐射复合电压损失。辐射复合损失主要由载流子的辐射复合速率决定，而非辐射复合损失则主要由辐射、非辐射载流子复合速率的相对快慢决定。归纳总结电池活性层能量损失的内在规律，对指导材料设计合成和器件工艺优化都具有重要意义。

3 研究前沿分析

3.1 来自基本科学指标评价基准数据库（ESI）的研究前沿（research fronts）分析

ESI研究前沿分析，是基于文献共被引(cocitation)原理，通过共被引这种新的文献耦合形式，找出共被引频率较高时形成的一组文献，分析它们之间具有的研究主题方面的相关性，从一种新的视角来探索科学研究的展开。具体为近6年的高被引论文作为“核心论文”，通过运算、聚类得出研究前沿。

本文通过关键词photovoltaic performance，organic photovoltaic cell，organic transistor，allpolymer solar cell，ternary organic solar cell，bulk heterojunction solar cell，charge transport layer，nonfullerene acceptor，fullerene acceptor，polymer solar cell，carrier mobility，thin film transistor，bulk heterojunction，donor polymer，conjugated polymer，获取有机光电高分子材料相关的研究前沿主题词表。

从平均发表年最近得出了有机光电领域最新关注前沿。

(1)制备高效太阳能电池。制备高效聚合物太阳能电池；本体异质结高效有机太阳能电池；高效的全聚合物太阳能电池；高效非富勒烯有机太阳能电池；配置两个结构相似的小分子受体的三元有机太阳能电池；效率为13%的三元壬二烯聚合物太阳能电池；高效三元非富勒烯聚合物太阳能电池；半透明三元壬二烯聚合物太阳能电池；三元共聚非富勒烯聚合物太阳能电池；有机光伏电池转化效率16%；减少非辐射能量损失；较厚的活性层等。

(2)受体研究。高光电性能n型有机半导体受体；基于苝酰亚胺的受体；氯取代的功能材料；强的近-红外吸收。

(3)有机半导体材料。酰亚胺功能聚合物半导体；功能化共轭聚合物；基于卟啉的共轭有机框架；富氮2D SP2-碳键连接共轭聚合物骨架;高性能阴极。

(4)结构-性能研究。垂直成分分布；二苯硫添加剂；铂(Ⅱ)络合策略；烷基化侧链。

(5)加工及应用性能。高效铸态太阳能电池；可印刷有机阴极夹层；分子印迹应用；潜在设备寿命接近10年；超敏感光电化学生物传感器；锂离子电池；光伏性能高的N型有机半导体接受器等。

从核心论文数较多的研究前沿主题词，得出有机光电高分子材料研究活跃的前沿领域，主要有：高效全聚合物太阳能电池；高性能非富勒烯聚合物太阳能电池；高性能三元共混聚合物太阳能电池；多功能三元有机太阳能电池；高效的倒置型太阳能电池；光导阴极夹层；高效的二维共轭苯并二噻吩基光伏聚合物；无缺陷的萘二酰亚胺双噻吩共聚物；共轭聚合物的合成；二酮吡咯并吡咯-四噻吩共轭聚合物；聚合物半导体；侧链诱导的刚性骨架组织；超高迁移率的透明有机薄膜晶体管；高迁移率场效应晶体管；基于空气稳定的场效应晶体管等。

3.2 基于突变词的有机光电高分子材料研究前沿及发展演化

利用CiteSpace的突变检测功能来辨认学科领域研究前沿术语概念，并通过突变词时区视图及突变词权重排序来判断该学科领域中新兴的研究前沿及其演化。全球有机光电高分子材料领域的研究前沿按照时间顺序：

2009—2012年的前沿方向有polythiophene(聚噻吩)，network(网络)，blend(共混)，light emitting diode(发光二极管)，photovoltaic cell(光伏电池)，thin film(薄膜)，self organization(自组装)，charge transport(电荷传输)，conversion efficiency(转换效率)，transparent(透 明)，phase separation(相 分 离)，photoinduced electron transfer(光诱导电荷转移)，indium tin oxide(铟锡氧化物)，heterojunction solar cell(异质结太阳能电池)，nanoparticle(纳米粒子)等。

2012—2016年的前沿方向有low bandgap polymer(低能带隙聚合物)，tandem polymer(串联聚合物)，side chain(侧链)，small molecule(小分子)，organic semiconductor(有 机 半 导 体)，electrode(电 极)，hole mobility(空穴迁移率)，power conversion efficiency(光电转换效率)。

2016—2019年的前沿方向有electron acceptor(电子受体)，nonfullerene acceptor(非富勒烯受体)，fullerene(富勒烯)，high efficiency(高性能)，stability(稳定性)。

通过上面的分析发现有机太阳能电池研究前沿主题演变趋势(图2)：聚噻吩给体体系——新型给体-受体体系，串联聚合物电池——非富勒烯受体体系，高效及稳定性器件。

图2 有机太阳能电池研究前沿主题演变趋势Fig.2 Evoluting trends of research frontiers in organic solar cell field

4结 语

有机太阳能电池作为一种利用有机功能材料将太阳能转换成电能的新型光伏技术，近10年来得到快速发展，是有机光电高分子材料领域最受关注的研究主题。有机太阳能电池具有光电特性调节范围宽、可实现半透明及柔性器件等突出优点，可通过印刷制备大面积器件，能够有效降低制造成本。有机太阳能电池的轻薄、柔性、半透明特性将使其在光伏建筑一体化和便携式电子设备等方面具有广阔的市场前景。

有机太阳能电池的核心是由电子给体材料与电子受体材料共混形成的本体异质结光活性层，光活性层吸收光子后产生激子，激子利用给/受体间的能级差，在给/受体界面处发生激子解离，产生的自由电荷进行选择性传输到达不同电极，最终被电极抽取产生光电流。

本文创新性地将文献计量分析方法同文献具体内容相结合，通过对有机光电高分子材料领域SCI高被引论文的热点论文、共被引文献、热点关键词对应的文献，关键词突变等，分析得到有机太阳能电池研究关注热点为高性能活性层材料的设计合成；高性能界面材料的设计合成及其界面调控性能的研究；电池器件中有机半导体活性层表界面的可控掺杂；有机太阳能电池活性层能量损失研究。

分析得到了有机光电领域最新关注前沿及活跃的前沿领域：高效太阳能电池的制备；三元有机太阳能电池；非富勒稀受体的研究；超高迁移率的透明有机薄膜晶体管；高迁移率场效应晶体管，二维共轭聚合物等。有机太阳能电池研究前沿主题演变趋势：从聚噻吩给体体系——新型给体-受体体系；单层——双层——本体异质结电池结构；富勒烯受体——非富勒烯受体。

文中包含大量高质量文献信息，连同总结的前沿、热点等，将为相关科研人员提供有益参考。