山大高珂/孙延娜联合多单位评述：接近21%能量转换效率的有机太阳能电池

山大高珂/孙延娜联合多单位评述：接近21%能量转换效率的有机太阳能电池

有机太阳能电池(OSCs)作为一种新型的光伏技术，近年来取得了显著进展。近日，上海交通大学刘烽教授团队在《Joule》杂志上发表了一项突破性研究，通过创新的逐层加工技术，成功实现了20.8%的能量转换效率，刷新了OSCs领域的最高纪录。这一成果不仅展示了OSCs在光电转换领域的巨大潜力，也为未来商业化应用开辟了新的可能性。

研究背景

有机太阳能电池(OSCs)展现出巨大的应用潜力，包括柔性和半透明的器件，尤其是在建筑智能玻璃窗的集成或与其他设备集成方面，突出了其独特的特性。聚合物给体和非富勒烯受体材料的进展为OSC领域注入了新的活力。这些材料的创新显著地拓宽活性层的光谱吸收范围，减少器件的能量损失，使得能量转换效率(PCE)超过19%。此外，基于体异质结型(BHJ)和逐层型(LBL)的器件工程技术也得到了极大的改进。器件工程主要是调节活性层的结晶度和相分离尺度，以改善光子-电子转换和输运过程中的关键形态参数。给体/受体材料的自组装行为为载流子传输通道提供了一个高度结晶的框架，从而减少了从激子到载流子转换过程中的相尺寸。然而，在BHJ薄膜器件中，给体/受体混合膜可能会形成较大的域面积和较差的垂直相梯度分布，这意味着阻碍了载流子在膜间的传输。与BHJ器件相比，LBL器件是解决上述问题的一种有效策略。底部的聚合物给体层具有良好的晶体连通性，而顶部的受体材料部分膨胀，在垂直方向上具有良好的梯度分布形态，从而使OSCs具有较高的性能。

本文亮点

1. 添加剂辅助的逐层(LBL)加工技术使有机太阳能电池实现了前所未有的20.8%的能量转换效率，这是迄今为止的最高效率。
2. 通过添加剂辅助的逐层(LBL)加工实现了具有梯度组分分布的双纤维网络相分离活性层形貌，促进了体相p-i-n结构的形成，实现了高效的激子解离和载流子输运，并显著减少了复合损失。
3. 通过添加剂辅助的逐层(LBL)加工构筑了光伏薄膜表面褶皱以增强光捕获能力。

研究内容

山东大学高珂教授和孙延娜副教授与长春师范大学张有地教授，联合浙江大学、南开大学、华南理工大学、天津大学和四川大学研究团队评论了上海交通大学刘烽教授及其同事在《Joule》杂志上最新发表的在有机太阳能电池(OSCs)领域的一项突破性工作，实现了创纪录的20.8%的能量转换效率(PCE)，这是迄今为止的最高效率。该研究中，通过添加剂辅助的逐层(LBL)加工技术，实现了具有双纤维网络相分离活性层形貌的OSCs，该活性层具有体相p-i-n结构和通过添加剂辅助的(LBL)加工实现的适当垂直相分离。这种优化的层级梯度纤维形貌和光管理协同作用，促进了激子解离，减少了复合损失，并增强了光捕获能力。这种方法不仅提供了实现高效率器件的解决方案，还展示了OSCs商业应用的潜力。

刘烽团队报道了小面积器件PCE达到前所未有的20.8%(认证为20.1%)，微型模块器件的PCE实现17.0%。这些令人振奋的结果为进一步提高OSCs的优势创造了一个新的里程碑，并为OSCs的商业化铺平了道路。

作者采用D18-Cl作为聚合物给体，BTP-4F-P2EH作为小分子受体(图1a)，通过在给体的氯苯(CB)溶液中加入2% 1-氯萘(CN)添加剂，利用添加剂辅助的逐层加工器件，获得了良好的具有体相p-i-n结构的梯度纤维形貌，显著减小了共混相的大小，促进激子分离和电荷收集，抑制陷阱辅助复合和双分子复合，从而改进了电荷的产生和转移过程。此外，通过LBL处理增强了光捕获能力，促进了阴极电极沉积时的褶皱形貌，并减少了光子损耗(图1b)。最终，基于D18-Cl：BTP-4F-P2EH的器件获得了前所未有的20.8%的PCE值(20.1%认证)，在连续加热400 h和光照500 h后仍保持良好的稳定性，将OSC领域推向新时代。

图1. a 聚合物给体D18-Cl和小分子受体BTP-4F-P2EH的分子结构。b 基于D18-Cl:BTP-4F-P2EH的器件的体相p-i-n结构图和皱纹图案表面图。

本研究在OSC领域中具有重要意义。首先，到目前为止，OSCs的发展趋势接近21%，说明OSCs可能正处于一个发展趋势为21%的新时代前沿，从而缩小了与其他光伏技术优势之间的差距。这一发展给OSC科学家的信心和动力。其次，通过添加剂辅助的(LBL)加工的微观结构，其中包含约20 nm的给体和受体的纤维相和约2 nm的体相p-i-n结构，形成了良好的梯度纤维和三维形态，显著提高了器件的性能和稳定性。这一成就启发了OSC领域探索精确调控形态和优化器件性能的新方法。最后，本研究强调了有效的光管理作为在OSCs中实现更高的效率和稳定性的另一个关键因素的重要性。

总结

为了提高OSCs的效率并促进其在未来的实际商业化，强调新材料体系的开发、新型器件的探索以及器件机制的阐明是至关重要的。OSCs的总体策略包括：(1)开发低成本、高性能的下一代光伏材料，包括给体和受体体系；(2)提供对形貌调控的明确解释，以及形貌和效率之间的联系；(3)探索新的器件制备和优化技术，深入阐明光伏器件背后的原理；(4)专注于柔性、半透明、大面积器件的商业开发，如智能集成光伏窗和可穿戴电子产品。鼓励研究者转向市场发展方向，并努力解决OSC领域的关键科学问题。最终，由于OSC具有独特的优势和较高的研究价值，我们相信在科研人员的努力下，OSC市场应用的春天必将到来。

本文原文来自Nano-Micro Letters