Advanced Energy Materials:提高非富勒烯有机太阳能电池效率与稳定性的新兴方法

近年来,有机太阳能电池因非富勒烯受体材料的飞速发展,其器件效率及稳定性得到迅速提升。相较于传统的富勒烯受体,稠环非富勒烯受体具有可见-近红外吸收强、能级可调性好、易于化学修饰等优点,在构筑低能量损失高效率有机太阳能电池方面,展现巨大优势。目前,单节器件效率已突破18%。在稳定性方面,虽然有机太阳能电池尚不能满足实际应用,但非富勒烯有机太阳能电池也展现出很好的潜力。最近,实验与计算结果表明非富勒烯有机太阳能电池寿命可长达10年。

赵富稳等基于科研工作者们近几年在有机太阳能电池方面取得的重要进展及对该领域的理解,系统总结了近三年来提升非富勒烯有机太阳能电池效率及稳定性的新兴方法。器件效率方面,作者从分子设计、叠层器件及三元策略等方面总结了提高光子利用率的方法,并从给受体分子结构、分子堆积、相分离、固体添加剂等角度总结了调控非富勒烯体系形貌,促进电荷传输的新方法。而鉴于当前有机太阳能电池的电流密度及填充因子已可与无机及钙钛矿电池相媲美;为实现效率进一步突破,降低器件能量损失(Eloss),提高开路电压,这一课题至关重要。作者从辐射复合引起的能量损失(ΔE1、ΔE2)与非辐射复合引起的能量损失(ΔE3)三方面出发,总结了近年来科学家们在理论与实验方面降低非富勒烯体系能量损失取得的研究进展,包括给受体能级差、电致发光效率、分子结构、分子堆积等因素对器件能量损失的影响。器件稳定性方面,作者从非富勒烯受体分子结构、活性层形貌、成膜过程、界面接触及器件结构等方面,概述了提高非富勒烯太阳能电池的有效方法及当前器件稳定性水平。

最后,作者基于有机太阳能电池领域近期取得的进展和自己的理解,简要提出未来的可能研究方向:1、材料设计方面,为推进商业化应用,简化合成路线,降低成本;通过结构修饰实现可绿色溶剂加工;提高材料结晶性,制备厚膜器件。2、降低能量损失方面,通过分子设计和器件制备工艺增强器件电致发光效率。3、稳定性方面,从材料结构设计、活性层形貌控制及器件封装工艺提高电池的光、热稳定性。最终推动有机太阳能电池的商业应用。

相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202002746)上。