降低非富勒烯有机太阳能电池能量损失的机制和策略

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溶液加工制备本体异质结有机太阳能电池（BHJ-OSCs）发展迅速，但器件的能量损失（Eloss）相对较大，成为限制其光伏性能的瓶颈因素。国家纳米科学中心魏志祥研究员、吕琨研究员，北京科技大学常雁红副教授等通过对OSCs中光物理过程的分析，讨论了不同能量损失途径的机理，综述了四种策略。系统总结了降低非富勒烯OSCs体系能量损失的最新进展，为进一步提高该类器件性能提供重要参考。敬请关注！

有机太阳能电池（OSCs）兼具价格低廉、质量轻、可大面积制备等特点，成为绿色清洁能源利用的重要技术。本体异质结型有机太阳能电池（BHJ-OSC）的活性层一般是由电子给受体材料共混形成，而给受体材料又存在纳米结构的相分离，丰富的界面有利于激子解离。因此，本体异质结是目前OSCs普遍使用的结构。

有机太阳能电池的基本工作原理为：在太阳光照射下，活性层产生激子，激子扩散到给受体界面，在界面能极差所提供的驱动力下，激子形成电荷转移（CT）态，CT态的激子克服束缚能解离成自由电荷并传输到电极分别被正负电极收集。在过去20年，以本体异质结中核心受体组分为依据，OSCs的发展主要经历了两个阶段，一是以富勒烯及其衍生物为受体的富勒烯太阳能电池时期，二是以非富勒烯为受体的太阳能电池时期。随着新材料的合成和器件工艺的不断优化，单节OSCs的能量转换效率（PCE）已达到19%以上。

然而，与传统的硅基和钙钛矿太阳能电池相比，OSCs的PCE仍然较低。OSCs的PCE与开路电压（VOC）、短路电流密度（JSC）和填充因子（FF）成正比。人们已经认识到，制约有机太阳能电池PCE的关键因素是能量损失（Eloss），即活性层的光学带隙（Eg）与器件VOC的差值。OSCs的Eloss远大于钙钛矿太阳能电池，如目前吸收带隙约为1.5 eV的单结钙钛矿电池已经实现了低至0.30 eV的能量损失。然而，迄今为止报道的多数高效OSCs中的Eloss仍高达0.50 eV以上。除了OSCs中活性层的组成、器件结构、材料特征等内部因素外，光照、退火方式、空气湿度等外部因素也会导致额外的能量损失，并影响器件的稳定性。因此，减少OSCs中的能量损失需要在不牺牲JSC和FF值的情况下最大化VOC的值（或最大限度地减少电压损失)。

本文主要针对基于聚合物给体聚[(2,6-(4,8-双(5-(2-乙基己基-3-氟)噻吩-2-基)-苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩])-alt-(5,5-(1',3'-二-2-噻吩-5',7'-双(2-乙基己基)苯并[1',2'-c:4',5'-c']二噻吩-4,8-二酮)（PM6）和非富勒烯受体的组合进行总结，通过固定给体材料，详细讨论受体材料结构和性能的变化对器件性能的影响，以便更好地理解能量损失在光伏器件中所起的作用。

为了进一步提高OSCs的效率，有必要深入了解能量损失的来源，并通过合理的分子设计进一步降低能损。本文通过对OSCs中光电过程的分析，首先讨论了能量损失的工作机制，考虑到OSCs中辐射复合损失的必然性，重点关注了电荷转移损失和非辐射复合损失。这些减小能量损失不同策略的工作原理是减小CT态和电荷产生的驱动力。迄今为止，一些OSCs中Eloss值已经降低到与钙钛矿相当。然而，为什么这些高性能的光伏体系具有如此低的能量损失这一问题还未解决。如上所述，虽然电荷转移损失和非辐射复合损失可以通过不同策略同时或单独降低，但在大多数情况下其适用性取决于材料。即使在给定的光伏体系中，不同策略中的工作机制仍不清楚，目前还没有明确的指导方针来进行更有针对性的光伏设计和研发。像基于A-D-A型NFAs的OSCs，虽然给受体界面能极差相对较小甚至接近于零，但仍具有高效的电荷产率，电荷产生的内在机理现在尚不明确。本质上，OSCs激子解离对界面驱动力的需求归因于有机体系的激子束缚能，而激子束缚能又与激子解离的驱动力呈线性相关，在此机理下，如何获得更高效的OSCs值得我们思考。不同自旋构型（单重态和三重态）在电荷动力学中的作用是什么，如何充分利用有机光伏中的三重态，以及电子-振动耦合对不同能量损失路径特别是对OSCs中非辐射复合损耗的影响机制等。为了解决这些问题，未来还需要对OSCs中的器件机制进行更多的研究。