第一作者：张桂传, Francis R. Lin

通讯作者：叶轩立, Alex K.-Y. Jen，Christoph J. Brabec, Philip C. Y. Chow

通讯单位：华南理工大学，香港城市大学，纽伦堡-埃尔朗根大学，香港大学

一、有机光伏的背景简介

溶液加工的有机光伏（OPV）或有机太阳能电池（OSC）作为一种变革性的太阳能技术，具有高通量制造的巨大潜力，且它们由无毒、丰富的原材料制成，耗能低。它们由于具有质轻、柔性、材料结构多样等优势，可以用作各种低成本、美观的电源，例如便携式电源和建筑集成光伏。然而，相比于具有高介电常数的无机半导体，在吸光后可以直接产生自由电荷载流子（空穴和电子），有机半导体由于其较低的介电常数常数通常只能产生激子（束缚空穴−电子对，库仑引力∼0.5eV）。这大约是室温下环境中的可用热能量（kBT=25 meV）的20倍，因此需要额外的能量分离有机半导体中空穴-电子对以产生自由电荷载流子。为了实现这一点，OPV器件中的活性层通常由具有电子亲和势（EA）或电离势（IP）差异的电子给体和受体材料组成，这有助于激子的有效分离以及随后的电荷载流子的转移。

二、有机光伏的发展历程

邓青云等人在1986年报道的第一个OPV器件显示出相当低的功率转换效率（PCE，约为1%），这是由于其双层器件结构中的给体-受体界面有限，从而阻碍激子有效分离成电荷。1995年，俞刚等人开发了一种巧妙的解决方法通过采用具有体异质结（BHJ）活性层的器件（该活性层包括D-A（其中D为给体，A为受体）异质结的双连续网络），可以实现更有效的激子离解和电荷产生。基于这种方法，OPV研究随着新材料和器件结构的开发而不断发展，在过去20年中，它的PCE从约3%提高到18%以上，如图1所示。

在OPV研究的初始阶段，通过优化BHJ层的形貌取得了进展，BHJ层通常为P3HT和富勒烯受体（FAs）（如PC₆₁BM）（参见图1的插图）。在这一发展之后，大部分研究集中于设计新的给体材料（共轭聚合物或小分子），其具有改进的与FAs（例如PC₆₁BM和PC₇₁BM）互补的光吸收性能，以及由二维电荷传输网络（例如PBDB-T、PTB7-Th或命名PCE10，参见图1的插图）或强分子聚集能力（例如PffBT4T-2OD或命名PCE11，参见图1的插图）引起的改善的电荷传输性能。这些发展加上FAs的强吸电子能力和优异的电子传输性能，使得该类OPV器件的PCE超过11%。

图1 美国国家可再生能源实验室（NREL）记录的有机太阳能电池（OSC）最高认证效率（从2001至2021年）。OSC的发展经历了以下三个阶段：（i）基于P3HT:PC₆₁BM；（ii）开发新的给体，如PCDTBT、PTB7-Th、PffBT4T-2OD和PM6；以及（iii）开发新的非富勒烯受体材料，从A−D−A型的ITIC系列到A−DA’D−A型的Y6系列。

然而，这些FAs的光吸收、化学和相稳定性较差，结构多样性有限，从而严重阻碍了更高效器件的制备。为了解决这个问题，具有高度可调的光电子性质（如能级、光吸收和电子迁移率）和多种结构变化的非富勒烯受体（NFAs）近些年被开发出来。例如，基于小分子稠环的A–D–A型NFA（如最为著名的ITIC，参见图1的插图）已被证明是制备高性能OPV器件的非常有前景的受体，在短短几年内就将OPV的PCE从6%提高到14%。然而，这些器件的开路电压和电荷产生效率之间存在的平衡，影响了它们的器件性能进一步提升至无机或钙钛矿光伏器件的水平。

2019年初，邹应萍等人报道了一种基于A–DA′D-A型的NFA（命名为Y6，见图1的插图），与给体聚合物PBDB-T-2F（也称为PM6，见图1插图）制备的OPV器件的PCE超过了15%，主要是由于该器件同时具有的高外部量子效率（EQE~85%）（即较高的短路电流）和较小的能量损失（E_loss~ 0.5eV）（即较高的开路电压）。这之后，基于该类A–DA′ D–A型NFA的OPV器件的PCE很快就发展至超过18-19%，并且通过使用叠层器件结构实现了超过20%的PCE。

尽管取得了这些重大突破，但我们更需要从根本上理解这些最先进的OPV材料体系的结构与性能的关系。这些关系以互连的方式联系在一起（图2），从有机半导体的化学结构和这些结构单元的分子堆积模式开始，到混合形貌和衍生的光电子性质 — 这是由D-A半导体的化学结构决定的，该结构也影响着光子转换为电子的过程 — 并结合器件结构最终影响其特定的性能（即电荷产生效率和E_loss）。基于器件性能和对器件加工产生的材料特性的理解，它可以生成一个连续反馈回路，以进一步改进新材料和OPV器件的设计。最终，这将通过优化电荷产生、E_loss、电荷传输和收集实现器件的进一步改进，以使单结OPV器件的PCE达到20%以上。这将使下一代OPV器件的性能能媲美无机光伏器件的。

图2 有机光伏体系中结构与性能的关系

三、文章简介

在此综述中，华南师范大学的张桂传，香港城市大学的Francis R. Lin，叶轩立、Alex K.-Y. Jen，纽伦堡-埃尔朗根大学Christoph J. Brabec和香港大学的Philip C. Y. Chow等人首先简要介绍了限制OPV器件性能远低于无机光伏器件的两个关键平衡问题（电荷产生效率vs E_loss和吸光活性层厚度vs电荷传输）；然后详细讨论了近几年来在开发OPV材料方面取得的进展，包括高性能A-D-A和A-DA′ D–A型NFAs，与Y6系列NFAs兼容的新型给体聚合物、高效多组分OPV体系、全小分子和全聚合物OPV体系；随后总结了当前对OPV器件的结构与性能关系和运作机制的基本理解；此外，还讨论了与这些器件未来商业化相关的领域，如稳定性、模组性能和潜在应用（即室内应用）；再者，也简要介绍了高通量制造的策略，包括高通量光学建模和快速优化，以发展所需的高性能OPV体系；最后，简要讨论了OPV技术作为一种可行的清洁能源的挑战和未来前景。

作者认为随着对最先进的OPV体系的结构与性能关系和工作机理的深入理解，将开发更先进的OPV材料和器件，以实现OSC的更低能量损失和更高的电荷生成效率，从而进一步提高其PCE至接近无机或钙钛矿光伏器件。这之后将需要充分了解这些高性能OSC的衰变机理，以进一步提高其寿命，到达满足商业化的需要，还需要掌握基于这些OPV体系制造高性能低成本大面积模组的技术。最后，结合OSC的新且独特的应用（如下一代便携式电源、建筑集成光伏、室内光伏等）以及加速OSC发展的新兴高通量方法，相信OPV可以在未来5-10年内实现商业化。

四、参考文献

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

作者简介

叶轩立教授：现为香港城市大学材料科学与工程学系及能源与环境学院教授，香港清洁能源研究院副院长。2013−2020任职华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室教授。主要从事有机和钙钛矿光电子材料及器件的研发，新应用领域的开拓，以及商业化的转化等。在Nature, Science, Nature Photonics, Chem. Rev., Joule, Adv. Mater., Nat. Commun. 等国际期刊上发表论文260余篇，被引约33000次，H-指数为96，并连续于2014至2021年度入选ESI全球“高被引科学家”。担任Matter杂志国际顾问，Science Bulletin 及 Nanomaterials期刊的编委会会员。

张桂传副研究员：华南师范大学“青年拔尖人才”，2017年6月毕业于华南理工大学材料学专业，获得工学博士学位，师从“国家杰青”、“长江学者”黄飞教授。2017年7月至2022年5月于华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室从事博士后研究工作，合作导师为曹镛院士和叶轩立教授。期间主要从事高效有机太阳电池材料与器件的研究。2022年5月入选华南师范大学“青年拔尖人才”，聘为副研究员到半导体科学与技术学院进行教学科研工作，主要研究方向为有机光电材料与器件、新能源材料与器件等。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等国际著名期刊发表SCI研究论文30余篇，其中6篇入选ESI高被引论文，论文引用超4300余次，H-指数为21；曾获得美国可再生能源实验室认证的有机太阳电池世界纪录效率。