盘点：2021年Nature及其子刊上的有机光伏

Nature：电荷复合对有机太阳电池中三重态激子的作用

非富勒烯受体（NFA）在有机太阳能电池中的应用使其能量转换效率（PCE）高达18%。然而，有机太阳能电池的效率仍然低于无机太阳能电池，后者的PCE通常超过20%。造成这种差异的一个关键原因是有机太阳能电池由于非辐射复合。为了使有机太阳能电池在效率上超过无机太阳能电池，必须识别和抑制非辐射损耗途径。

剑桥大学Richard H. Friend、Alexander J. Gillett，蒙斯大学David Beljonne和加州大学圣巴巴拉分校Thuc-Quyen Nguyen等人发现在大多数使用NFA的有机太阳能电池中，开路条件下的大部分电荷复合是通过形成非发射的NFA三重态激子进行的；在基准PM6:Y6混合物中这一比例达到90%，从而使开路电压降低60mV。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实质性杂交可以阻止通过这种非辐射通道的复合。模型表明，从自旋三重态电荷转移激子到分子三重态激子的背电荷转移速率可以降低一个数量级，使自旋三重态电荷转移激子重新解离。这项工作为太阳能电池的设计提供了一条途径，其能量转换效率可达20%或更高。相关研究以“The role of charge recombination to triplet excitons in organic solar cells” 为题目，发表在Nature上。DOI: 10.1038/s41586-021-03840-5

图1三重态形成途径和有机太阳能电池材料

Nature Energy：支化侧链取代策略实现单结有机光伏18.32%效率

北京航空航天大学化学学院孙艳明与上海交通大学刘烽等人利用传统的支化侧链取代策略，优化了非富勒烯受体分子的分子堆积，构建了多尺度共混薄膜形貌，制备出了单结器件效率高达18.32%、电压损失为0.55 V和填充因子为81.5%的有机太阳能电池。该研究工作展示出了支化侧链拓扑结构在优化分子堆积和薄膜形貌以及提升器件性能等方面的重要性，为进一步设计与合成高性能非富勒烯受体分子提供了新的思路。相关研究以“Non-fullerene acceptors with branched side chains and improved molecular packing to exceed 18% efficiency in organic solar cells” 为题目，发表在Nature Energy上。DOI: 10.1038/s41560-021-00820-x

图2分子结构、光物理特性和光伏特性

Nature Energy：利用环保溶剂，客体辅助分子组装策略实现高效率有机光伏

苏州大学李耀文和瑞典林雪平大学高峰等人通过客体辅助组装策略，在环境友好型溶剂对二甲苯（PX）中制备的小面积（0.062 cm²）有机光伏器件（OSC），获得了17.48%的认证PCE。此外，基于该策略，作者利用溶液刮涂法制备了形貌均一的大面积活性层薄膜，获得了具有世界领先效率的大面积（PCE=14.26%，36 cm²）有机太阳能电池组件。并且，主客体分子间较强的分子间作用力使得活性层形貌稳定性大幅度提升，从而提高了器件的工作稳定性。本工作的客体辅助组装策略为实现环境友好型溶剂制备高性能大面积OSC提供了一种独特方法，为OSC的工业化发展打下了坚实基础。相关论文以题为“A guest-assisted molecular-organization approach for >17% efficiency organic solar cells using environmentally friendly solvents”发表在Nature Energy上。DOI: 10.1038/s41560-021-00923-5

图3受体的化学结构和结构表征

Nature Energy：有机太阳电池中非辐射电压损失的统一描述

瑞典林雪平大学高峰、钱德平和亚利桑那大学Jean-Luc Bredas、Veaceslav Coropceanu等人提供了有机太阳能电池中非辐射电压损失的统一描述。综合实验和理论结果表明，低ΔV_nr值是在非富勒烯受体基共混物中获得的，其具有小的ΔE_LE-CT电流变偏移，这是由于高发射LE状态与界面CT状态以及重要的LE状态的热群的电子杂化的结果。发现原始材料组分的光激发发光效率决定了有机太阳能电池中ΔV_nr的极限。该工作指出需要设计具有高发光效率和延伸到近红外区的互补光学吸收带的给体和受体材料，从而为下一代高效的有机光伏提供了明确的策略。相关论文以题为“A unified description of non-radiative voltage losses in organic solar cells”发表在Nature Energy上。DOI: 10.1038/s41560-021-00843-4

图4 电荷产生效率与器件ΔV_nr

Nature Nanotechnology：稀释效应助力高效率多组分有机光伏

多组分有机太阳电池（MC-OSC）混合策略机制的研究是实现其最佳性能的重要途径。华盛顿大学任广禹(Alex K.-Y. Jen)和浙江大学陈红征等人证明了稀释效应是MC-OSC中的工作机制。通过混合两个可混溶的受体分子，振动耦合的抑制和带边的锐化，V_OC损失减少。协同材料带隙的拓宽，稀释效应很好地解释了MC-OSC中 V_OC损失的减少和与成分依赖的V_OC行为。时间分辨光谱和电学特性的结果表明稀释剂作为电荷转移和传输的中间步骤而不影响电子迁移率的作用，可适应MC-OSC中实现的高FF。在稀释效果的基础上实现普遍改进的器件性能，获得了18.31%的最佳 PCE，这是文献报道的OSC的最高效率之一。相关论文以题为“Dilution effect for highly efficient multiple-component organic solar cells”发表在Nature Nanotechnology上。DOI: 10.1038/s41565-021-01011-1

图5 稀释效应和光电特性

Nature Communications：从非富勒烯有机光伏的多尺度揭示结构-性能关系

浙江大学陈红征和左立见等人报道对目前性能最优的四种非富勒烯受体（NFA）组装形成有机能电池器件，系统的考察其中有机分子的结构、形貌、宏观性质、器件性能之间的关系。发现非富勒烯受体（NFA）的共拓展共轭结构有助于提高和改善电荷分离性能、降低非辐射损失，同时发现分子的不对称端基位点能够更好改善以上两点。通过缩短烷基侧链，端基位点堆叠效果更好，因此实现了更高的载流子迁移率和电荷收集效率。通过有效的分子结构优化和改善宏观的分子排列情况，PM6:BTP-S9结构有机光伏器件的性能达到17.56 %（认证效率达到17.4 %），填充因子高达78.44 %。这是目前不对称有机太阳能光伏电池器件最好的效率之一。相关论文以题为“Unveiling structure-performance relationships from multi-scales in non-fullerene organic photovoltaics”发表在Nature Communications上。DOI: 10.1038/s41467-021-24937-5

图6 分子结构、光学和电化学特性

Nature Communications：自旋在有机光伏降解中的作用

牛津大学Moritz Riede和德国合力泰克（Heliatek GmbH）公司Ivan Ramirez等人发现体相异质结（BHJ）太阳能电池中，C60中电荷转移态向激发态三重态的空穴反向传输（BHT，back-hole transfer）是导致C60光作用中降解的首要原因。通过静态光电测试、时间分辨ESR、变温瞬态吸收等方法进行验证。发现BHT现象是比系统间交叉（ISC）更加严重的现象，因为BHT过程无法通过改进激子淬灭过程进行弥补。BHT现象不仅仅局限在C60中，在设计更加稳定的有机光伏电池过程中，电子、空穴的反向转移导致的BHJ降解现象需要受到更加关注。相关论文以题为“The role of spin in the degradation of organic photovoltaics”发表在Nature Communications上。DOI: 10.1038/s41467-020-20601-6

图7 不同的光物理途径

Nature Communications：基于聚合小分子受体的全聚合物有机光伏实现16.16%的效率

李永舫院士、孟磊、关波以及美国北卡罗来纳州立大学Harald Ade等人合成了两种基于A-DA'DA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PSMA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，理想的形态使其全聚合物有机光伏显示出更高的能量转换效率，为16.16%。相关论文以题为“Polymerized small molecular acceptor based all-polymer solar cells with an efficiency of 16.16% via tuning polymer blend morphology by molecular design”发表在Nature Communications上。DOI: 10.1038/s41467-021-25638-9

图8 PS-Se和PN-Se的分子结构和理化性质

Nature Communications：强红外吸收窄带隙受体用于高性能串联有机太阳能电池

串联有机太阳能电池基于器件结构，单片连接两个太阳能电池，以拓宽整体吸收光谱并更有效地利用光子能量。李永舫院士、孟磊和美国北卡罗来纳州立大学Harald Ade等人展示了一种简单的策略，即在小分子受体Y6的中心核和端基之间插入双键以扩展其共轭长度和吸收范围，合成了一种新的窄带隙受BTPV-4F，其光学带隙为1.21 eV。基于BTPV-4F作为受体的单结器件实现了超过13.4%的能量转换效率和28.9 mA cm^-2的高短路电流密度。采用BTPV-4F作为后电池受体材料，所得串联器件的能量转换效率达到了16.4%以上，并且具有良好的光稳定性。结果表明，BTPV-4F是一种高效的红外吸收窄带隙受体，具有应用于串联有机太阳能电池的巨大潜力。相关论文以题为“High performance tandem organic solar cells via a strongly infrared-absorbing narrow bandgap acceptor”发表在Nature Communications上。DOI: 10.1038/s41467-020-20431-6

图9 分子设计与表征

景行供稿