纳米人-AFM：有机光伏器件中给/受体界面的功能及特性探讨

AFM：有机光伏器件中给/受体界面的功能及特性探讨

坡肉先生坡肉先生 2022-08-22

在不断涌现的新型非富勒烯受体和共轭聚合物给体的推动下，单节有机光伏器件（OPV）的认证光电转换效率已经突破19%。然而，相较于硅基或钙钛矿等其它种类的光伏器件，OPV器件中的能量损失依然较高，而电荷在给体与受体界面处的复合则是这一能量损失的主要来源。因此，深入了解给/受体界面特性与器件能量损失机制的关系，对于突破这一限制OPV进一步发展的瓶颈具有重要意义。

近期，浙大宁波理工学院钟宇飞等人首先回顾了OPV器件和材料的发展历程和基本性能参数，进而从OPV的基本工作原理和能量损失机理入手，探讨了给/受体界面处的能极差，界面性质和微观形貌，以及能隙定律等因素对器件中相对应光物理过程和电压损失的影响；同时，通过总结目前已报道的给/受体界面工程策略，进一步探讨了未来OPV发展中优化电流-电压取舍效应，从而进一步提高器件光电转换效率的可能途径。

要点1：总结了OPV给/受体界面能量损失机理。

目前的OPV器件在短路电流和填充因子方面已经能够和钙钛矿太阳能电池齐平，唯一的不足则体现在较低的开路电压Voc上。器件的电压损失可以简单地理解为活性层材料的最小带隙Eg与qVoc的差值。如上图右侧所示，Eg与qVoc之间的差值主要来源于两个部分，分别是第一激发态S1与电荷转移态ECT的能量差，这一部分的损失主要来源于给/受体材料的能极差和光生激子的束缚能；第二部分的能量损失则主要来源于生成的电子与空穴在给/受体界面处的复合，而载流子的复合则与给/受体界面处的微观形貌（上图左侧）直接相关。因此，在这一部分讨论中，作者从界面能级与电荷转移与拆分效率的关系和界面微观形貌与载流子复合的关系两个方面讨论了OPV给/受体界面能量损失机理。此外，针对，作者也着重讨论了能隙定律（energy gap law）对于OPV器件中的短路电流-开路电压取舍（trade-off）效应的影响。

要点2：总结了通过界面工程优化电流-电压取舍效应的方法。

绝大多数OPV器件都存在电流-电压取舍效应，意味着在OPV中同时实现高电压和高电流十分困难。通过界面工程对给/受体界面微观形貌进行优化可以有效降低界面处的能量损失。在本体异质结器件中，作者分别讨论了通过优化分子设计，引入第三组分，以及分步制备活性层对异质结中界面形貌的优化策略。同时，作者也着重讨论了采用双层异质结研究界面处分子取向，分子耦合，和界面能量梯级（energy cascade）对减轻电压损失的贡献。

总结全文，作者认为更深入地了解器件能量损失机制与“理想的”给/受体界面特性之间的关系将会对未来OPV材料设计和异质结形貌优化方向起到指导作用。相关讨论以“Managing Challenges in Organic Photovoltaics: Properties and Roles of Donor/Acceptor Interfaces”为题发表于期刊Advanced Functional Materials。更多研究细节请参考文末全文链接。