有机太阳能电池的黄金九月

★背景介绍

有机太阳能电池（也称有机光伏，OPV）具备柔性、轻质、半透明等独特优势，同时可以采用低成本溶液加工工艺实现大面积制备，在商业化应用中拥有巨大的应用潜力。近三十年来，OPV领域取得巨大的进展。1995年诺贝尔化学奖得主Heeger等人创造性地使用富勒烯衍生物PCBM作为电子受体材料，制备双层异质结有机太阳能电池器件，能量转化效率（PCE）达到2.3%。

之后的很长一段时间，富勒烯衍生物作为太阳能电池受体材料经过不断地修饰和改进，PCE达到11%以上。在这当中，以中科院化学所李永舫院士团队和华南理工大学曹镛院士团队做出了大量杰出的工作。2018年，南开大学陈永胜教授团队在《Science》上发文，通过OPV叠层器件的设计实现了PCE（认证效率17.29%）震惊业界的突破，让OPV的产业化之路看到了曙光。

就在刚过去的九月份，OPV领域取得了一系列突破性的成果进展。9月28日，在国际知名期刊《Advanced Materials》和《Energy& Environmental Science》同时上线两篇OPV的文章，聚合物OPV与全小分子OPV都实现了目前最高能量转化效率（PCE），分别为18.8%和17%。9月30日，时隔3年，OPV重新登上《Science》期刊，电荷复合问题被进一步揭示，有望指导OPV的PCE在未来实现20%的突破。让我们来重新梳理盘点一下九月份OPV领域的重要进展。

9月30日，来自美国加州大学生圣芭芭拉分校的Thuc-Quyen Nguyen，比利时的蒙斯埃诺大学的David Beljonne以及英国剑桥大学的Alexander J. Gillett和Richard H. Friend等研究人员联合在《Nature》上发表文章，研究发现使用非富勒烯受体（NFA）的有机太阳电池体系中，电荷复合是通过形成非辐射NFA的三重态激子进行的。在典型的PM6:Y6体系中，该比例达到90%，开路电压降低60 mV。而通过设计NFA三重态激子和自旋-三重态电荷转移激子之间的大量杂化可以防止电荷通过这种非辐射路径进行复合。这项工作为具有20%或更高PCE的有机太阳能电池提供了设计途径。

★研究内容

图1 三重态形成路径以及OPV材料分子结构，图片来源：Nature 2021, 597, 666–671.

9月28日，苏州大学李永舫院士课题组的崔超华教授和国家纳米科学中心魏志祥研究员课题组的张建齐研究员联合在《Advanced Materials》发表文章，通过挥发性固体添加剂二噻吩并[3,2-b:2',3'-d] 噻吩（DTT）和 1-氯萘（CN）的辅助处理，实现了目前聚合物太阳能电池的最高的PCE（18.8%）。具有高结晶度的可挥发固体添加剂DTT可以在薄膜浇铸过程中限制非富勒烯受体的过度自组装，然后在热退火条件下，随着DTT的挥发，实现相分离和分子堆积的改善。

图2 器件结构及其性能，图片来源：Adv. Mater. 2021, 2105301.

同时，中科院化学所侯剑辉研究员课题组与国家纳米科学中心魏志祥研究员课题组联合在《Energy & Environmental Science》上发表文章，通过优化B1:BO-2Cl:BO-4Cl三元全小分子体异质结，构筑了具有分级的分支结构的纳米级双连续互穿网络结构，实现了17%的PCE（认证结果为16.9%），这是目前全小分子体系的最高效率。

图3 活性层形貌结构及其性能，图片来源：Energy Environ. Sci. 2021. https://doi.org/10.1039/D1EE02124A.

9月21日，北京交通大学张福俊教授课题组和国家纳米科学中心丁黎明研究员课题组联合在《Advanced Functional Materials》发表文章，利用在可见光范围内具有窄光子捕获的宽带隙聚合物D18和具有近红外光子捕获的小分子N3构建了半透明OPV。具有 1 nm Au/10 nm Ag 阴极的半透明OPV实现了2.90%的最高光利用效率，PCE为12.91%，平均可见光透射率为22.49%，这是目前已报道的半透明OPV中最好的性能之一。

图4 不同厚度Ag电极的优化器件的性能，图片来源：Adv. Funct. Mater. 2021, 2107934.

9月17日，武汉大学闵杰研究员课题组在《Advanced Functional Materials》发表文章，采用两步溶剂处理，对氧化铟锡（ITO）界面进行调控的策略成功构建无PEDOT:PSS界面层的高性能非富勒烯聚合物OPV，实现了18.6%的PCE。首先，ITO的表面经过氯苯和紫外线处理，能够形成降低氯化ITO阳极的功函并改善其表面能。另一方面，选择甲醇溶剂处理活性层表面能够有效提升活性层/铝(Al)电极界面处的真空能阶，并钝化活性层的表面陷阱。该策略在提高效率的同时可以显著地提高器件的稳定性，延长ITO基底的使用寿命，降低成本。

图5 溶剂处理过程及处理后的相关表征，图片来源：Adv. Funct. Mater. 2021, 2106846.

9月6日，中科院化学所李永舫院士课题组和北卡罗莱纳州立大学Harald Ade课题组联合在《Nature Communications》上发表文章，合成了两种基于 A-DA'D-A 小分子受体的聚合小分子受体 PS-Se 和 PN-Se，用于研究分子结构对光伏性能的影响。PBDB-T: PN-Se 共混膜中形成聚集尺寸为 10 ~ 20 nm 的双连续互穿网络，活性层的理想形态实现了全聚合物OPV的16.16%的PCE。

图6 OPV材料分子结构及光学性能表征，图片来源：Nat. Commun. 2021, 12, 5264.