第一作者：張桂傳, Francis R. Lin
通訊作者：葉軒立, Alex K.-Y. Jen，Christoph J. Brabec, Philip C. Y. Chow
通訊單位：華南理工大學，香港城市大學，紐倫堡-埃爾朗根大學，香港大學
一、有機光伏的背景簡介
溶液加工的有機光伏（OPV）或有機太陽能電池（OSC）作為一種變革性的太陽能技術，具有高通量制造的巨大潛力，且它們由無毒、豐富的原材料制成，耗能低。它們由于具有質(zhì)輕、柔性、材料結構多樣等優(yōu)勢，可以用作各種低成本、美觀的電源，例如便攜式電源和建筑集成光伏。然而，相比于具有高介電常數(shù)的無機半導體，在吸光后可以直接產(chǎn)生自由電荷載流子（空穴和電子），有機半導體由于其較低的介電常數(shù)常數(shù)通常只能產(chǎn)生激子（束縛空穴?電子對，庫侖引力～0.5eV）。這大約是室溫下環(huán)境中的可用熱能量（kBT=25 meV）的20倍，因此需要額外的能量分離有機半導體中空穴-電子對以產(chǎn)生自由電荷載流子。為了實現(xiàn)這一點，OPV器件中的活性層通常由具有電子親和勢（EA）或電離勢（IP）差異的電子給體和受體材料組成，這有助于激子的有效分離以及隨后的電荷載流子的轉移。
二、有機光伏的發(fā)展歷程
鄧青云等人在1986年報道的第一個OPV器件顯示出相當?shù)偷墓β兽D換效率（PCE，約為1%），這是由于其雙層器件結構中的給體-受體界面有限，從而阻礙激子有效分離成電荷。1995年，俞剛等人開發(fā)了一種巧妙的解決方法通過采用具有體異質(zhì)結（BHJ）活性層的器件（該活性層包括D-A（其中D為給體，A為受體）異質(zhì)結的雙連續(xù)網(wǎng)絡），可以實現(xiàn)更有效的激子離解和電荷產(chǎn)生。基于這種方法，OPV研究隨著新材料和器件結構的開發(fā)而不斷發(fā)展，在過去20年中，它的PCE從約3%提高到18%以上，如圖1所示。
在OPV研究的初始階段，通過優(yōu)化BHJ層的形貌取得了進展，BHJ層通常為P3HT和富勒烯受體（FAs）（如PC61BM）（參見圖1的插圖）。在這一發(fā)展之后，大部分研究集中于設計新的給體材料（共軛聚合物或小分子），其具有改進的與FAs（例如PC61BM和PC71BM）互補的光吸收性能，以及由二維電荷傳輸網(wǎng)絡（例如PBDB-T、PTB7-Th或命名PCE10，參見圖1的插圖）或強分子聚集能力（例如PffBT4T-2OD或命名PCE11，參見圖1的插圖）引起的改善的電荷傳輸性能。這些發(fā)展加上FAs的強吸電子能力和優(yōu)異的電子傳輸性能，使得該類OPV器件的PCE超過11%。
圖1 美國國家可再生能源實驗室（NREL）記錄的有機太陽能電池（OSC）最高認證效率（從2001至2021年）。OSC的發(fā)展經(jīng)歷了以下三個階段：（i）基于P3HT:PC61BM；（ii）開發(fā)新的給體，如PCDTBT、PTB7-Th、PffBT4T-2OD和PM6；以及（iii）開發(fā)新的非富勒烯受體材料，從A?D?A型的ITIC系列到A?DA’D?A型的Y6系列。
然而，這些FAs的光吸收、化學和相穩(wěn)定性較差，結構多樣性有限，從而嚴重阻礙了更高效器件的制備。為了解決這個問題，具有高度可調(diào)的光電子性質(zhì)（如能級、光吸收和電子遷移率）和多種結構變化的非富勒烯受體（NFAs）近些年被開發(fā)出來。例如，基于小分子稠環(huán)的A–D–A型NFA（如最為著名的ITIC，參見圖1的插圖）已被證明是制備高性能OPV器件的非常有前景的受體，在短短幾年內(nèi)就將OPV的PCE從6%提高到14%。然而，這些器件的開路電壓和電荷產(chǎn)生效率之間存在的平衡，影響了它們的器件性能進一步提升至無機或鈣鈦礦光伏器件的水平。
2019年初，鄒應萍等人報道了一種基于A–DA′D-A型的NFA（命名為Y6，見圖1的插圖），與給體聚合物PBDB-T-2F（也稱為PM6，見圖1插圖）制備的OPV器件的PCE超過了15%，主要是由于該器件同時具有的高外部量子效率（EQE~85%）（即較高的短路電流）和較小的能量損失（Eloss~?0.5eV）（即較高的開路電壓）。這之后，基于該類A–DA′?D–A型NFA的OPV器件的PCE很快就發(fā)展至超過18-19%，并且通過使用疊層器件結構實現(xiàn)了超過20%的PCE。
盡管取得了這些重大突破，但我們更需要從根本上理解這些最先進的OPV材料體系的結構與性能的關系。這些關系以互連的方式聯(lián)系在一起（圖2），從有機半導體的化學結構和這些結構單元的分子堆積模式開始，到混合形貌和衍生的光電子性質(zhì)?—?這是由D-A半導體的化學結構決定的，該結構也影響著光子轉換為電子的過程?—?并結合器件結構最終影響其特定的性能（即電荷產(chǎn)生效率和Eloss）。基于器件性能和對器件加工產(chǎn)生的材料特性的理解，它可以生成一個連續(xù)反饋回路，以進一步改進新材料和OPV器件的設計。最終，這將通過優(yōu)化電荷產(chǎn)生、Eloss、電荷傳輸和收集實現(xiàn)器件的進一步改進，以使單結OPV器件的PCE達到20%以上。這將使下一代OPV器件的性能能媲美無機光伏器件的。
圖2 有機光伏體系中結構與性能的關系
三、文章簡介
在此綜述中，華南師范大學的張桂傳，香港城市大學的Francis R. Lin，葉軒立、Alex K.-Y. Jen，紐倫堡-埃爾朗根大學Christoph J. Brabec和香港大學的Philip C. Y. Chow等人首先簡要介紹了限制OPV器件性能遠低于無機光伏器件的兩個關鍵平衡問題（電荷產(chǎn)生效率vs Eloss和吸光活性層厚度vs電荷傳輸）；然后詳細討論了近幾年來在開發(fā)OPV材料方面取得的進展，包括高性能A-D-A和A-DA′?D–A型NFAs，與Y6系列NFAs兼容的新型給體聚合物、高效多組分OPV體系、全小分子和全聚合物OPV體系；隨后總結了當前對OPV器件的結構與性能關系和運作機制的基本理解；此外，還討論了與這些器件未來商業(yè)化相關的領域，如穩(wěn)定性、模組性能和潛在應用（即室內(nèi)應用）；再者，也簡要介紹了高通量制造的策略，包括高通量光學建模和快速優(yōu)化，以發(fā)展所需的高性能OPV體系；最后，簡要討論了OPV技術作為一種可行的清潔能源的挑戰(zhàn)和未來前景。
作者認為隨著對最先進的OPV體系的結構與性能關系和工作機理的深入理解，將開發(fā)更先進的OPV材料和器件，以實現(xiàn)OSC的更低能量損失和更高的電荷生成效率，從而進一步提高其PCE至接近無機或鈣鈦礦光伏器件。這之后將需要充分了解這些高性能OSC的衰變機理，以進一步提高其壽命，到達滿足商業(yè)化的需要，還需要掌握基于這些OPV體系制造高性能低成本大面積模組的技術。最后，結合OSC的新且獨特的應用（如下一代便攜式電源、建筑集成光伏、室內(nèi)光伏等）以及加速OSC發(fā)展的新興高通量方法，相信OPV可以在未來5-10年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化。
四、參考文獻
Zhang, G. et al. Renewed Prospects for Organic Photovoltaics. Chev. Rev.
Doi: 10.1021/acs.chemrev.1c00955 (2022).
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.1c00955
作者簡介
葉軒立教授：現(xiàn)為香港城市大學材料科學與工程學系及能源與環(huán)境學院教授，香港清潔能源研究院副院長。2013?2020任職華南理工大學發(fā)光材料與器件國家重點實驗室教授。主要從事有機和鈣鈦礦光電子材料及器件的研發(fā)，新應用領域的開拓，以及商業(yè)化的轉化等。在Nature, Science, Nature Photonics, Chem. Rev., Joule, Adv. Mater., Nat. Commun. 等國際期刊上發(fā)表論文260余篇，被引約33000次，H-指數(shù)為96，并連續(xù)于2014至2021年度入選ESI全球“高被引科學家”。擔任Matter雜志國際顧問，Science Bulletin 及 Nanomaterials期刊的編委會會員。
張桂傳副研究員：華南師范大學“青年拔尖人才”，2017年6月畢業(yè)于華南理工大學材料學專業(yè)，獲得工學博士學位，師從“國家杰青”、“長江學者”黃飛教授。2017年7月至2022年5月于華南理工大學發(fā)光材料與器件國家重點實驗室從事博士后研究工作，合作導師為曹鏞院士和葉軒立教授。期間主要從事高效有機太陽電池材料與器件的研究。2022年5月入選華南師范大學“青年拔尖人才”，聘為副研究員到半導體科學與技術學院進行教學科研工作，主要研究方向為有機光電材料與器件、新能源材料與器件等。近些年在Chem. Rev.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Joule、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Energy Lett.、Sci. Bull.、ACS Appl. Mater. Inter.、Mater.Today Energy等國際著名期刊發(fā)表SCI研究論文30余篇，其中6篇入選ESI高被引論文，論文引用超4300余次，H-指數(shù)為21；曾獲得美國可再生能源實驗室認證的有機太陽電池世界紀錄效率。
