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有機光伏（Organic Photovoltaics, OPV）因其無毒、輕便、柔性以及低成本等特性，已成為可再生能源研究領域中的“新星”。其中，關于有機光電材料的研究在推進有機光伏領域發展的進程中扮演了重要角色。近年來，科學家通過開發不同類型的近紅外（Near-infrared）活性層材料，實現了光電轉化效率從5%到19%的飛躍。
然而，在OPV發展的初期，傳統的活性層材料（如P3HT，MEH-PPV以及PCBM）僅能吸收波長小于650 nm的紫外可見光，從而導致光電轉化效率低于5%。相較于紫外可見區，紅外區（IR）占據了太陽光光譜能量的52%，并且近紅外區的光子能量較低，更容易被有效的吸收利用。
因此，通過有效地吸收利用太陽光譜中紅外區的能量，有機光伏器件的短路電流將大幅度提高，從而實現光電轉換效率的新突破。
有鑒于此，加州大學洛杉磯分校（UCLA）楊陽（Yang Yang）教授于2008年開始從事近紅外活性層材料的研究，多次打破世界紀錄，并且在2013年通過設計新型的近紅外聚合物給體材料，首次突破了10%的驗證光電轉換效率（NREL）。自2012年以來，非富勒烯受體由于其易調節的化學結構及光電性質，逐漸引起了科學家們的關注。2017年開始，楊陽教授課題組從近紅外給體材料的開發逐步轉型到近紅外受體材料的研發，并于2019年成功報道了兩種帶隙小于1.4 eV的受體材料Y1及Y2（Y為Yang的英文縮寫），其可以有效利用太陽光譜的近紅外光波段能量，并實現了12.6%驗證效率（Newport）。開起了Y系列受體材料的熱潮，進一步通過化學修飾，得到了吸收進一步紅移的Y3受體，并實現了大于14%的光電轉換效率, 最終推動了具有優異光伏性能的Y6分子在UCLA的“誕生”。令人振奮的是，近年來，Y系列近紅外受體材料快速發展，將OPV的光電轉換效率推至19%。
光學吸收窗口是評價近紅外光材料的重要指標之一。加州大學洛杉磯分校楊陽教授等人將近紅外光材料(包含給體與受體)依照吸收窗口分為: 700-800 nm、800-900 nm、900-1000 nm及大于1000 nm四個區域，分別探討了近紅外材料的設計原則及相關的器件應用，建立構效關系，為新型近紅外材料的開發提供為新思路。
近紅外有機半導體為有機光伏領域創造了很多重要的機遇。例如，人們創造了新的化學合成策略；單節太陽能電池的效率從不足5%提升到了19%；新型器件結構諸如疊層太陽能電池和半透明太陽能電池被成功制備。因此，近紅外給受體材料的概念已成為有機光伏領域的一個重要轉折點。
1）首先回顧了有機光伏領域近紅外材料的發展。根據低能量吸收窗口，將近紅外光伏材料（p型聚合物和n型富勒烯和非富勒烯材料）劃分為四個部分：700-800 nm，800-900 nm，900-1000 nm和1000 nm以上。每一部分都涵蓋了近紅外材料的設計，合成以及構效關系的建立。2）隨后，文章展示了近紅外材料的各種應用，其中包括半透明有機太陽能電池，疊層有機太陽能電池和有機光電探測器。3）最后，文章討論了新型近紅外材料面臨的挑戰及其發展前景，從而為新型近紅外材料的開發而實現下一代有機光伏的新突破提供新的指導。
圖2. 近紅外材料在有機光伏領域的分子設計與器件應用示意圖。
給體材料在有機光伏的活性層中起到了重要的作用，影響著器件的光電性能。早期大多數的給體如P3HT，其吸收主要集中在可見光區域?？紤]到有超過50%的太陽光譜的能量集中在紅外區域，通過材料設計實現紅外光的利用從而提高轉換效率具有重要的研究價值。近紅外給體材料的發展主要發生在富勒烯作為受體的時期。近紅外的吸收主要通過調節電子給體單元（D）與電子受體單元（A）之間的分子內電荷轉移效應（ICT）來實現。通過設計較強的給受體單元從而增強ICT效應可以有效拓寬給體材料的吸光范圍，有利于實現一些特殊的器件應用，例如半透明有機太陽能電池。
本文將近紅外給體材料根據其吸收窗口分為700-800 nm，800-900 nm，900-1000 nm和1000 nm以上四個部分。為了進一步加深對近紅外給體材料的基本理解，本文強調了ICT的強度與給受體單元推拉電子能力強弱以及其吸收窗口的關系。比如，當較弱的給體單元（如 BDT）與較弱受體單元（如 TT）配對時，所得的給體聚合物材料的吸收邊位于為 700 至 800 nm窗口。逐步增加給體單元的給電子能力并將其與較強的受體單元配對可以有效增強ICT 效應并且使吸收窗口顯著紅移。另一方面，較弱的給體單元與較強受體單元仍然可以產生具有中間區域吸收窗口的給體材料，如 PDPP-DTS。吸收邊大于 1000 nm 的給體材料是由一些最強的供體和受體組合實現的，包括 DTT、DTP、DT 和 DPP。本文總結出了一些用于設計近紅外給體材料的給受體單元，從而揭示如何通過選擇給受體單元來促進 ICT。對分子結構的修飾以及所產生的光電特性的持續研究將幫助研究者進一步優化給受體單元，進而實現對近紅外能量更加有效的利用。圖3. 給受體單元組合形成的具有不同吸收窗口的近紅外給體材料的示意圖。
近期，非富勒烯受體（NFA）由于其獨特的優勢，例如吸收和能級的可調節性，較高的吸光系數，可控的結晶性和較小的能量損失，逐漸成為了OPV研究領域的中心。具有A-D-A結構的稠環電子受體（FREA）給體材料是主要的高性能非富勒烯受體。其特征結構單元為給電子的中心稠核以及吸電子的兩側端基?；诜歉焕障┦荏w的OPV，相較于基于富勒烯的OPV，展現出較高的器件效率和穩定性。其中，近紅外的非富勒烯受體材料能更加有效地利用低能量的光子，從而提升器件的效率。此外，非富勒烯受體的結構可調節性使其可以實現在近紅外區域的選擇性吸收，這將有助于近紅外受體材料在半透明太陽能電池以及電池電池領域的應用。
為了將非富勒烯受體的吸收拓展到近紅外區域，人們將基于給體（D）-受體（A）相互作用的分子內電荷轉移效應（ICT）引入了受體分子的結構中。調節ICT效應是精確調節受體分子吸收范圍的有效策略。由中心稠核和兩側端基組成的A-D-A結構是最普遍的ICT模式。另一方面，在中心的受體單元內插入另一個給體單元形成具有多重ICT效應的A-DA’D-A結構可進一步實現對非富勒烯受體材料吸收和能級的精確調控。基于這兩種ICT模式，人們利用不同的化學結構修飾和組合可以有效地調控ICT效應的強度。本文更據吸收窗口將近紅外受體材料分為700-800 nm，800-900 nm，900-1000 nm和1000 nm以上四個部分，討論了結構單元如何影響ICT效應和受體材料的光電性質。受體材料的吸收窗口可以通過選擇不同強度的給受體單元來調節。本文根據其相應的推拉電子的能力將給受體單元分為了弱、中、強三個等級。例如，IDT和IDTT是弱給體單元，而PDTT和DTPC是強給體單元。具有DA’D復合結構的BZPT是中等強度的給體單元。對于受體材料而言，IC被定義為標準的中等強度的受體單元。通過氟化或者氯化，相應的IC衍生物將變成強受體單元。相反，甲基化的IC是弱受體單元。給受體單元的強弱順序為設計具有特定吸收窗口的非富勒烯受體材料提供了依據。目前，關于受體的研究主要集中于吸收在1000 nm以下的材料，其中所使用的受體單元主要為IC和IC的衍生物。因此，開發新型的受體單元以及吸收大于1000 nm受體分子具有重要的研究意義。除此以外，探索A-D-A或A-DA’D-A以外的ICT模式可能有助于實現更強的ICT效應。圖4. 給受體單元組合形成的具有不同吸收窗口的近紅外受體材料的示意圖。
受益于近紅外光譜的吸收和較好的導電性，近紅外材料能夠擴大光譜的吸收范圍，進一步增強有機光電器件對光子的捕獲能力。對于有機太陽能電池來說，近紅外材料的發展至關重要，因為它們能更有效地利用更大范圍的光譜。合適的近紅外材料所制成的有機活性層能提升短路電流，并增強器件的效率。由此可見，近紅外材料在工業領域的應用具有較大的潛力，尤其是在半透明有機太陽能電池、疊層太陽能電池和光電探測器這三類器件應用上具有獨特的優勢。
通常來講，有機太陽能電池由基底，電子和空穴傳輸層，活性層和電極組成。利用透明或半透明電極和經過特殊設計的活性層，有機太陽能電池就能夠只讓特定范圍的太陽光穿透其表面。半透明有機太陽能電池的應用包括便攜式的集成太陽能充電裝置，發電屋頂和自供電型的溫室。除了在可見光范圍內的高透射率，半透明有機太陽能電池也需實現盡可能高的轉換效率。通過分子設計和帶隙工程，近紅外材料能夠有選擇性地吸收非可見光，且能讓絕大部分的可見光穿透過來。由此可見，得益于其特定的光譜吸收范圍，近紅外有機半導體會更加適合半透明有機太陽能電池。圖5. 近紅外材料在半透明有機太陽能電池中的應用。
疊層器件結構能有效提升有機太陽能電池的效率，因此得到了廣泛應用。疊層的器件設計能利用更大范圍的太陽光譜，有效地減少光子以熱量形式損失。制備疊層有機太陽能電池的方法是連接兩個單節的有機太陽能電池。疊層器件是一種能提升開路電壓，降低能量損耗的方法，從而有效提升有機太陽能電池效率并使其超越肖克利-奎伊瑟極限。在疊層有機太陽能電池里，寬帶隙材料通常用在前節，而吸收近紅外輻射的窄帶隙材料則用于后節。
和有機太陽能電池類似，有機光電探測器（OPD）的基本原理也是基于光電效應。由于近紅外光在生物組織里有著長傳播距離和低衰減的特性，有機光電探測器在環境監測，臨床診斷，夜間監控和便攜式電子設備等領域都有巨大的潛力。
作為近紅外光伏材料和器件研究領域的先驅，楊陽課題組見證了近紅外吸收的有機材料的快速發展。本文首先總結了近紅外光伏材料的歷史及其設計原理。同時，文章強調了分子內電荷轉移(（ICT）效應在調節有機半導體的吸收窗口中的重要作用。這種ICT效應是基于給體單元（D）和受體單元（A）之間的電子推拉效應(D-A效應)而形成的。本文還介紹了各種類型的給體（D）和受體（A）單元，及各種D、A單元與近紅外有機半導體吸收窗口之間的構效關系。此外，文章還討論了近紅外材料在半透明有機太陽能電池、疊層有機太能電池和近紅外光電探測器中的應用，尤其強調了其在生物成像和熱電技術領域中也具有很大的應用潛力。想要進一步提高有機光伏的轉換效率，除利用ICT效應來調整吸收窗口之外，還可通過修飾給體（D）和受體（A）單元來實現，包括摻入氟原子，優化氟取代基的位置以及側側鏈工程。除此之外，雜原子（硫、硒和氮等）的引入、調整分子構型、引入金屬配合物或添加摻雜劑也是提高光伏性能的有效策略。一般而言，每一種策略具有不同的優勢，可同時使用多種策略從而實現優化的分子構型和光電性質?；谀壳敖t外材料和器件的發展，本文展望了未來可能對該研究領域研究產生實質性影響的若干方向:1）材料設計：由于在有機光伏中，聚合物分子比起小分子具有更強的吸光能力和更好的相穩定性，因此聚合物受體是目前重點研究方向之一。然而與其相匹配的給體材料還無法完全確定。適用于聚合物受體體系的小分子給體或聚合物給體還需要進一步的研究。2）器件工程：先進的光物理概念可以在未來的器件工程中發揮巨大的作用，例如，單線態裂分（singlet fission）可以突破太陽能電池設備的肖克利-奎伊瑟極限。另一方面，利用上轉換和下轉化過程可以將紅外和紫外輻射轉換為可見光。這些新概念與新的近紅外材料相結合可以顯著提高有機光伏器件的性能。3）器件結構：制造疊層有機太陽能電池是另一種突破肖克利-奎伊瑟極限的方法。然而目前為止疊層器件的潛力還并未被全部開發，其最高的轉換效率（19.5%）與單節有機太陽能電池（19.7%）非常接近，遠遠低于肖克利-奎伊瑟極限的理論值31%。疊層器件的轉換效率主要受限于前后節器件以及連接層。因此優化前后節吸光材料的吸收范圍，提高量子產率，減低能量損失以及優化連接層是提高疊層器件的重要途徑。4）理論計算：近年來人們報道了許多給體-受體單元的組合。然而，對于這些復雜大分子的分子間電子相互作用的深入分析和解釋還很缺乏。除了對光譜吸收性質的研究外，關于激子結合能，缺陷態，載流子遷移率以及激發態性質的研究也至關重要。涉及密度泛函理論，分子動力學，大數據分子和機器學習的系統模擬可以使得高性能近紅外材料的設計更高效，為今后近紅外有機材料的研究提供指導。綜上所述，近紅外有機材料已經促使有機光伏的研究從實驗室走向了商業化，其未來發展既具有挑戰性也充滿了可能性。結合以上討論的設計策略，以及未來的發展方向，本文預測近紅外有機材料的新功能將得到拓展，從而實現更高的器件性能。本文希望未來可以對近紅外有機材料的結構-性能-加工的關系有更深入全面的了解。雖然有機光伏技術能否被商業化仍是個未知數，但本文堅信新一代的近紅外吸收有機材料具有廣闊的發展前景。
楊陽教授現為美國加州大學洛杉磯分校工學院材料系Carol and Lawrence E. TannasJr. 講座教授。在半導體材料與器件方面有著20余年的研究經驗，創造了該領域的多項世界紀錄。主要研究方向是太陽能及高效能電子器件，在可溶液加工石墨烯，有機光伏, 量子點，CIGS和鈣鈦礦太陽能電池等領域做出了杰出的貢獻。目前課題組具有世界頂尖的有機太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池，鈣鈦礦發光二極管，生物傳感器，薄膜晶體管的研究團隊和實驗設備。課題組在Science, Nat. Mater., Nat. Photon., Nat. Nanotech., Nat. Commun., Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc, Adv. Mater. 等著名學術期刊上發表論文450余篇, 所發表論文被引用超過12萬次，H-index 為167。
北京時間2022年1月4日 上午10:00（周二），納米人路漫研究院《路漫講座》正式邀請楊陽教授進行題為《如何從“交叉學科”中找到科研的藍海》的線上學術報告（直播）。本次報告，楊陽教授將從學術成果、科研思路、教書育人等多個角度融合，深度分享如何做好交叉學科，以及培養未來人才的經驗和理念。
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