Small Structures:高效率叠层有机太阳能电池的研究进展

能源危机和环境污染是人类可持续发展亟待解决的重大难题。开发太阳能电池技术,将取之不尽、用之不竭的太阳能转化为电能是非常具有潜力且缓解能源危机的手段之一。有机太阳能电池具有成本低、重量轻、可大规模溶液制备成柔性器件等突出优点,备受学术界和工业界的广泛关注。目前,高效率有机太阳能电池的感光活性层广泛采用电子给体材料(D)和电子受体材料(A)共混形成本体异质结(BHJ)结构。在该结构中,给、受体材料可形成互穿网络的纳米形貌,从而提供了充足的D/A界面来促进激子分离,保证双连续的电子、空穴传输通道,进而增加电池的光电流,提高其光电转换效率。近年来,科研工作者在新型给、受体材料开发上取得了巨大的进展,特别是高效率非富勒烯材料的快速发展,使得有机太阳能电池光电转换效率已经超过17%。尽管如此,有机半导体材料本身的吸收范围较窄(~200 nm),这使得有机太阳能电池在获得全光谱吸收并进一步提高光电转换效率上面临巨大挑战。为了解决这一关键科学问题,科研工作者开发了多元共混有机太阳能电池和叠层有机太阳能电池。相对于多元共混器件,叠层有机太阳能电池是将两个或两个以上的单节器件采用并联或者串联的方式叠加在一起,可以最大限度改善对太阳光的吸收。自从2006年第一个溶液法制备的叠层器件被报道以来,叠层有机太阳能电池的研究一直备受关注,长期引领该领域的发展。特别是近年来高性能非富勒烯材料的应用于叠层器件后,其光电转换效率高达17.3%。但是叠层器件还有很长的路要走,依旧是潜力与挑战并存。

四川大学彭强教授课题组总结并系统分析了叠层有机太阳能电池的研究进展。在该论文中,他们从以下几个方面对叠层器件方面的研究进行了详细综述:1)有机太阳能电池叠层器件结构与工作原理;2)叠层器件中的活性层材料,具体分为(i)聚合物给体材料,(ii)小分子给体材料,(iii)富勒烯和非富勒烯受体材料;3)叠层器件中间连接层材料;4)同质结构叠层器件;5)并联叠层器件;6)多节叠层器件。尽管有机太阳能叠层器件近年来取得了令人可喜的进展,但是与理论预测的效率还有差距。因此,在本文的最后,他们指出了叠层有机太阳能电池目前发展中所面临的各方面挑战,并对叠层太阳能电池的未来发展思路提出了指导意见。

相关综述文章在线发表在Small Structures(DOI: 10.1002/sstr.202000016)上。