研究背景
在過去的幾十年里，有機光伏（OPV）作為一種新興的光伏技術，因其靈活性、成本效益和環境友好性而備受研究者們的關注。在傳統的有機光伏器件中，富勒烯受體一直是主流材料，因其在電子轉移和傳輸方面的良好性能而備受青睞。然而，富勒烯受體也存在著一些固有的缺點，如弱的可見光和近紅外吸收能力以及大的激子結合能，這些因素限制了其在光電轉換效率上的提升。
為了克服這些限制，科學家們開始尋找新的受體材料，特別是非富勒烯受體。非富勒烯受體具有更強的可見光和近紅外吸收能力，以及更小的激子結合能，這些特性使其成為提高光伏效率的有潛力的候選材料。然而，非富勒烯受體的引入也帶來了新的挑戰，如激子的生成、傳輸和分離等物理過程的復雜性。為了深入理解非富勒烯受體在有機光伏中的作用機制，一些科學家們開始對其進行深入的研究。他們著重比較了富勒烯和非富勒烯受體之間的物理過程對器件性能的影響，并探討了激子生成、擴散、傳輸、分離以及電荷復合等關鍵過程。這些研究為克服富勒烯受體的限制，提高OPV效率提供了新的思路和方法。
有鑒于此，北京大學占肖衛教授，華南理工大學材料科學與工程學院吳宏濱教授以及新西蘭MacDiarmid先進材料與納米技術研究所Justin M. Hodgkiss教授團隊攜手致力于深入解析非富勒烯受體在有機光伏中的物理機制，并提出了解決方案以最大程度地提高光伏性能。通過對激子的生成、傳輸、分離和電荷復合等關鍵過程的細致研究，本研究旨在揭示非富勒烯受體的優勢和挑戰，并提出最新的物理解釋和策略，以實現OPV技術的進一步發展和提升。以上研究在Nature Reviews Physics上發題為“Physical insights into non-fullerene organic photovoltaics”的最新文章。
科學貢獻
為了更好地理解非富勒烯有機光伏（OPV）的物理機制以及非富勒烯受體與富勒烯受體在器件性能上的差異，研究者們通過以下圖表展示了關于非富勒烯受體的激子產生、擴散、分離以及電荷復合等方面的重要結果，有助于我們更深入地理解非富勒烯受體在OPV中的作用。
具體來說，首先，圖1展示了給體和受體的分子結構。通過這些結構，研究者們可以深入了解在OPV中使用的光活性材料的特征和屬性。接下來，圖2顯示了非富勒烯受體的激子產生和擴散性質。研究表明，非富勒烯受體具有更高的激子擴散系數，這意味著它們可以更有效地傳輸激子，從而提高了光電流的產生率。圖3展示了基于非富勒烯受體器件中的激子分離過程。通過分析，研究者們發現，非富勒烯受體中的激子分離主要通過空穴轉移途徑進行，而這個過程通常比基于富勒烯的器件慢，這主要是由器件形態因素導致的。圖4描述了三態電子振動模型、非輻射電壓損失和受體的光致發光量子產額。研究者們觀察到，非富勒烯受體具有較低的能級混亂和較低的次能帶態，這有助于減少陷阱輔助復合和電壓損失。最后，圖5展示了非富勒烯受體的特征。研究者們發現，當能量偏移較小時，非富勒烯受體的弱發光電荷轉移態可以與高發射的局部激基態雜化，從而提高了輻射效率，減少了非輻射電壓損失。這些圖表提供了關于非富勒烯受體在OPV中作用的重要信息。它們幫助我們理解了非富勒烯受體相對于富勒烯受體的優勢，并為進一步優化OPV器件性能提供了重要的指導。
圖1. 給體和受體的分子結構。
圖2. 非富勒烯受體的激子產生和擴散性質。
圖3. 基于非富勒烯受體器件中的激子分離。
圖4. 三態電子振動模型，非輻射電壓損失和受體的光致發光量子產額。
圖5: 非富勒烯受體的特征。
科學啟迪
非富勒烯受體的光物理和器件物理揭示了有機光伏（OPV）中新的工作機制和潛在優勢。其強烈的可見光和近紅外吸收特性，以及高光致發光量子產率，為高效的光吸收、長程能量轉移和減少非輻射電壓損失提供了基礎。與富勒烯受體相比，非富勒烯受體具有更高的激子擴散系數、更慢的激子分離速率以及更低的電荷復合速率，這些特性有助于減少電壓損失并提高功率轉換效率。
此外，非富勒烯受體還為新型 OPV 設備架構提供了可能性，例如厚活性層、偽雙層或雙層器件，以及新的光電子工作模式，如雙層或同質結器件。這些發現不僅推動了 OPV 技術的進步，也為未來設計更高效、更穩定的有機光伏器件提供了重要的指導和啟示。
文獻詳情：
Wang, J., Xie, Y., Chen, K. et al. Physical insights into non-fullerene organic photovoltaics. Nat Rev Phys (2024). https://doi.org/10.1038/s42254-024-00719-y，https://www.nature.com/articles/s42254-024-00719-y
