Advanced Science News:WILEY · 争鸣 | 有机光伏 6.0

ASN/MVC 的广大读者朋友们:大家好!
我们ASN/MVC团队已于2021年5月31日隆重推出一个新的专栏:WILEY · 争鸣。今天,我们将持续更新第一期第六部分内容,并借此机会再次重申创办这一专栏的初衷:之所以开设这个专栏, 是因为我们WILEY编辑团队平时在跟作者/读者交流的过程中发现,很多研究学者们,尤其是青年科学家,博士后,以及学生群体们常常会向我们提问”什么是某某领域待解决的关键问题“,”如何看待某某领域的未来前进方向?”等等。这些问题不仅困惑着作者,也一直困惑着我们期刊编辑:什么主题的文章才是领域内的读者们更感兴趣的?我们该从期刊出版的角度做些什么来助力学科的发展?近年来,随着新型材料领域的飞速发展(储能,光电,催化,生物医学等),科研成果百家争鸣。在这样的背景下,我们想尽自己的微薄之力,邀请一些领域内的专家学者们针对所在领域的”关键问题”发表看法和评论,希望能够在一定程度上引导读者们共同探讨针对这些问题的解决方案,进而促进该领域的发展。我们选取了“有机光伏“作为第一期的主题。近年来,非富勒烯受体材料的发展使得有机太阳能电池的光电转换效率节节攀升,更为重要的是,是中国学者在引领着有机光伏领域的发展。很荣幸的是,截至目前,已经有近20位有机光伏研究领域的资深专家和青年学者们积极地参与了我们的话题讨论。我们万分感谢大家对我们栏目的大力支持,也希望借助我们ASN的平台和各位专家学者共同努力来助力有机光伏领域的发展,力争取得更大的突破。我们将在工作日每天持续更新2 – 4 位专家学者的观点(按姓氏首字母排序),并在最后一天对该期的所有内容进行归纳总结。期待大家的评论,转发和持续关注。你们的关注就是我们努力的动力!再次感谢,祝各位读者健康快乐!                                                                                               

ASN/MVC公众号 & WILEY编辑团队

WILEY

叶轩立

教授,香港城市大学我们认为有机光伏研究领域中的关键问题是如何解决高效电荷产生过程中的能量损失的问题,这也是有机光伏与其它无机硅、钙钛矿等光伏技术在效率上存在较大差距的主要原因之一。因此,深入地理解有机光伏器件中电荷产生的工作机理,将有利于在更低能量损失下实现高效的电荷产生。而由于有机材料介电常数小激子束缚能大,因此目前的高效有机光伏器件都需要经过给受体界面处电荷转移(CT)过程以产生自由电荷。所以,给受体界面处的CT态的特性很大程度上决定了电荷产生效率和能量损失,即最终的器件性能。因此,现阶段我们认为深入地了解材料结构与CT态特性之间的内在联系尤为重要。我们最近有个工作就是研究基于Y6高效有机光伏体系的结构与性能的关系,我们研究发现由于Y6特殊的分子堆积结构和较强的分子堆积能力,使得它在给受体共混界面依然可以保持几个分子堆积,因此CT态中电子波函数可以发生某种程度的离域,从而增加空穴和电子之间的距离,减小其库伦束缚力,使得CT态更容易解离。此外,Y6的特殊分子堆积结构也使得它的激子更容易离域和具有较好的发光特性,而文献报道给受体HOMO能级相近的体系其CT态可以与激子发生杂化,使得CT态具有部分激子的特性,因此Y6的激子特性有利于减小器件的非辐射电压损失。我们认为这些是基于Y6系列的高效体系为什么能同时实现低能量损失和高效电荷产生的主要原因之一。基于这些理解我们可以考虑怎么进一步增强给受体界面的电子或空穴波函数离域以减小CT态的束缚能获得更高效的电荷产生和提高CT态的发光效率以获得更低的能量损失,这将很有可能发展出效率更加接近无机硅、钙钛矿等光伏体系的新一代有机光伏体系。但目前领域中对材料的分子化学结构与分子堆积结构、堆积能力强弱以及发光特性之间的关系的认识还是不清楚的,因此现阶段我们领域的研究成果还无法明确地指导我们如何设计更好的材料分子结构来构建新一代的有机光伏体系。总之,有机光伏研究领域中最为关键的还是其基础问题的研究,即研究其结构与性能的关系,从分子化学结构到其分子堆积结构以及给受体之间的共混形貌结构,这些都会影响其中的光电特性即光生电荷过程,最终结合器件结构将表现在器件性能上。只有系统地建立起这些构效关系(见下图),才能更有指导性地开发出新一代的有机光伏体系。

图1. 化学结构-分子堆积结构-光电性质-器件性能之间的关系研究

左立见

研究员,浙江大学
个人认为,有机光伏更多的是一个技术而不是科学。因此,产业化对于有机光伏的下一步发展至关重要,尤其是在目前光电转换效率已经高达18%的情况下。个人认为,有机光伏产业化需要解决以下几个问题:

(1)针对有机光伏优势开发有实际应用场景的原型器件和研究。目前光伏产业最大产品-硅基太阳能电池以先入为主控制了整个市场,而且依靠规模化效应把发电成本做到很低。这给OPV的产业化带来了巨大的挑战。幸运的是,OPV有一些硅电池无法比拟的优势,比如柔性、多彩、半透明等。所以有机光伏将来商业化的路径大概是依靠自身的优势寻找应用场景。有针对性地设计开发可以发挥有机光伏特色的光电材料和原型器件结构有助于推动OPV进一步发展。

(2)器件稳定性问题。器件的稳定性是决定有机光伏能否商业化的另外一个重要原因。虽然有机光伏技术应用场景可能对于稳定性要求没有硅电池那么苛刻,但是至少应该做到适用时间范围内的稳定。但是,稳定性在目前有机光伏发表的论文中并没有提及,个人建议稳定性数据应该作为发表工作中的一个OPV的标准表征数据。另外,有机光伏领域需要对器件稳定性的测试标准、衰减机制、以及从分子设计和器件结构设计角度提高策略重视起来。

(3)规模化制备工艺和模组设计。目前文献报道的高效率有机光伏大多是实验室小面积器件,并没实际应用价值。开展高性能有机光伏规模化制备工艺研究和模组设计制备至关重要。从科学层面考虑,有机光伏效率的提升得益于材料的进展。虽然现在18%的效率已经到了商业化门槛,进一步提高效率无疑会让有机光伏相对于其他光伏技术更有竞争力。分子结构和器件性能构效关系是该领域极其关键的科学问题。然而,这种构效关系的内在机制并不清楚。比如说,现在高性能器件基本都是基于Y6(或者说ADA分子)结构,是否存在另外一种分子可以突破Y6目前的效率水平并没有答案。另外一方面,新型光伏材料的发展也刷新了大家对于有机半导体的传统观念。比如传统认为,有机材料的激子结合能都普遍比较大,然而,在低的能量驱动力下超快的电荷分离开始让大家思考有机材料是否也可以像无机材料一样具有较小的结合能。这种对于传统材料性能理解上的改观很有可能引发大家对于更多“超性能”半导体材料的发现和设计,从而实现有机光伏器件性能突破。总而言之,对于有机光伏分子设计、构效关系研究和光电机理分析是有机光伏材料面临的重要科学问题。