Small Methods: 有机太阳能电池器件如何突破15%的光电转化效率——现状及展望

高效的有机太阳能电池器件可以通过发展新的给受体材料、优化活性层形貌、优化界面传输层等策略来实现。目前,小面积有机太阳能电池的光电转化效率已经突破13%,但是这与19%的理论预测值仍然有很大的差距。同时,为了推动有机太阳能电池的工业化应用,更好的为社会提供绿色洁净的能源,有机太阳能电池的效率还需进一步的提高。通常认为,突破15%的光电转化效率是实现有机太阳能电池工业化应用的重要前提。

图 1. 有机太阳能电池中的能量损失与理论转化效率

通过对近几年有机光伏相关研究工作的分析,国家纳米科学中心的魏志祥研究员课题组从能量损失的角度系统地总结了有机太阳能电池领域(包括富勒烯和非富勒烯体系)的最新研究进展,进而阐述如何提高有机太阳能电池的效率。统计表明大部分体系的能量损失在0.7-1.0 eV,只有少数体系的能量损失在0.6 eV以下。通常,能量损失来自于两个方面:1)电荷产生过程的能量损失和2)复合带来的能量损失。如果要减小电荷产生过程的能量损失,则需要减小带隙(Eg)与电荷转移态能量(Ect)的差值,最近在非富勒烯体系中发现能量差约为0.07 eV时,激子也有很高的解离效率。因此,如何减小复合带来的损失尤为重要。目前大多数有机太阳能电池体系非辐射能量损失较大,约为0.36-0.48 eV。研究清楚非辐射损失的根本原因和如何减小体系的非辐射损失,是未来至关重要研究方向。文章还详细讨论了共轭聚合物-富勒烯、共轭小分子富勒烯、共轭聚合物-非富勒烯、共轭小分子-非富勒烯及三元体系获得低能量损失的可能性和可行性。另外,文章还总结了有机太阳能电池面临的挑战及未来的发展方向。作者希望通过该文章的视角为有机光伏材料制备及器件优化提供新思路,为进一步研发高性能的有机太阳能电池(光电转化效率突破15%)提供指导与参考。相关文章发表在Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.201700258)上。

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