学术干货|一份近三年有机太阳能电池顶刊汇总等你查收哦！

有机太阳能电池的研究因全球能源需求量逐年攀升而备受瞩目，目前根据有机太阳能电池的器件结构可以分为单质结、异质结和染料敏化太阳能电池，而根据电池材料，可分为小分子太阳能电池材料、大分子太阳能电池材料、D-A体系材料、有机无机杂化体系材料。其中，有机无机杂化体系材料利用了无机材料高的载流子迁移率和有机材料大的光吸收系数，是太阳能电池材料的研究热点及未来的发展趋势。接下来，小编带大家介绍下有关有机太阳能电池近三年顶刊文献。

1. 1.97V高开路电压的无富勒烯串联有机太阳能电池

图1 化学结构和其常规的吸收图谱

图2 串联电池及其各材料的能量级图

串联有机太阳能电池（OSCs）通过多个光敏吸收层的连接大大提高了电池的光利用率，相对于单质结电池，其致密度高、质量轻，能提供较高的光电压。前期研究较多的是在体异质结混合富勒烯受体中，串联OSCs所使用的光敏层，但其开路电压低。目前，研究人员发现无富勒烯串联OSCs在诸多方面体现出其优势。

基于此，浙江大学的李昌治和陈红征（共同通讯作者）等人利用P3HT:SF(DPPB)4 和 PTB7-Th:IEIC块体异质结分别作为电池的首尾，成功地研制出高开路电压为1.97V的无富勒烯串联OSCs。此电池的能量转化效率能达到8.48%，同时已经在太阳能驱动的水解离设备中得到测试，他们实验结果给予了新型材料在串联OSCs中使用的新思路。

原文链接：Nonfullerene Tandem Organic Solar Cells with High Open-Circuit Voltage of 1.97 V（Adv. Mater.，2016，DOI：10.1002/adma.201603518）

2.应用在有机钙钛矿太阳能电池受体和阴极缓冲层材料的富勒烯衍生物

图3 阴极缓冲层的结构

近年来，有机太阳能电池（OSCs）与有机无机杂化卤族钙钛矿太阳能电池（pero-SCs）已经被视为两大最有前途的可再生光伏发电技术。在近期的研究中表明， OSCs和pero-SCs的能量转化率（PCE）已经分别超过10%和20%，这得益于优化光敏层和阴极缓冲层的材料。

苏州大学的李耀文和李永舫（共同通讯作者）等人在此基础上全面地总结了富勒烯衍生物OSCs和pero-SCs中作为受体和阴极缓冲层起到的重要作用，并且提出未来应着眼于研究新型富勒烯衍生物，更深入地探索、控制这些物质的物理化学性质，以提高光伏技术在OSCs 和pero-SCs中的应用。

原文链接：Fullerene Derivatives for the Applications as Acceptor and Cathode Buffer Layer Materials for Organic and Perovskite Solar Cells (Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601251)

3. 有机太阳能电池电荷产生过程中受激发供体或受体的二分作用

图4 供体与受体能量偏移图

有机太阳能电池中的光电流产生取决于活化层的光吸收量、解离激发至自由电荷的效率和这些电荷分离与收集的效率。电荷分离一般发生在给体或受体激发后，电荷的产生效率则取决于电子间的吸引力、给体与受体的电离潜能及激发态的能量。但是电荷转化的阻碍存在于激发态的给体和受体之间的差异。

因此，荷兰埃因霍芬理工大学的René A. J. Janssen（通讯作者）等人研究四种不同的DPP高聚富勒烯太阳能电池，在研究光激发态给体和受体所产生电荷的差异性时，意外地发现，为了使给体与受体之间产生高效的电荷，这需要激发态受体的能量损失比同种状态下给体的能量损失高0.3eV。这项成果可以解释有机太阳能电池电荷产生过程中受激发供体或受体中存在的二分作用。

原文链接：Dichotomous Role of Exciting the Donor or the Acceptor on Charge Generation in Organic Solar Cells （J. Am. Chem. Soc., 2016,  DOI: 10.1021/jacs.6b05868）

4. 具有强π-π相互作用的宽能带隙聚合物用于无富勒烯聚合太阳能电池

图5 电池结构、物质的吸收图谱、分子结构及能级图

针对于富勒烯基太阳能电池中存在的能量损耗大、可见光区域吸收率低等问题，非富勒烯基太阳能电池因能克服这些缺点，进而得到快速的发展。但非富勒烯基太阳能电池的能量转化率（PCE）仍低于富勒烯基，因此应着眼于研究新型给体材料，以提高非富勒烯基太阳能电池的PCE。为了更好地吸收光子，理想的活性层应具有宽而强的光吸收带，因而受体和给体之间应该具有互补的光吸收性能。

中科院化学研究所的侯剑辉及高丽大学的Han Young Woo（共同通讯作者）等人设计合成了一种宽能带隙的聚合物给体PBDTS- DTBTO。这一物质展现出1.76 eV的宽能带隙以及强π-π的相互作用。PBDTS-DTBTO-ITIC组装的有机太阳能电池对于活化层厚度变化的敏感性较小，并且当活化层的厚度在可以达到55-245 nm范围内，其PCE为9.09%，因而被认为是理想的非富勒烯基太阳能电池材料。

原文链接：A Wide Bandgap Polymer with Strong π–π Interaction for Efficient Fullerene-Free Polymer Solar Cells（Advanced Energy Materials，2016，DOI：10.1002/aenm.201600742）

5. 具有9.7%效率的一种新型宽能带隙聚合物基的P-N结有机太阳能电池

图6 紫外可见光吸收图谱、PDBT-T1电化学循环伏安法、电池的结构及电池中各成分的能级图

近年来，由共轭聚合物和富勒烯衍生物组成的有机体异质结太阳能电池日渐引起人们的关注，这得益于其质量轻、成本低，以及在制造大型灵活设备中存在的巨大潜力。目前D-A共轭聚合物的研究围绕着中能带隙(MBG)和窄能带隙(LBG)共聚物，但在设计研制高性能宽能带隙（WBG）聚合物上仍然存在挑战。

基于此，北京航空航天大学的孙严明（通讯作者）等人研究出一种新型WBG共聚物，即具有1.85eV能隙的PDBT-T1，它是由富电子的DTBDT亚族和贫电子的T1亚族组成。PDBT-T1作为给体、PC70BM作为受体的P-N结太阳能电池已经制造出来了，在无溶剂添加和后续热处理的条件下能达到8.3%的高能量转化率（PCE）。当DIO作为溶剂添加剂加入时，PCE能达到9.7%，这是目前所报道的WBG聚合物基P-N结有机太阳能电池所能达到的最高值。

原文链接：Single-Junction Organic Solar Cells Based on a Novel Wide-Bandgap Polymer with Efficiency of 9.7%（Adv. Mater.，2015，DOI: 10.1002/adma.201500647）

6.高能效钙钛矿太阳能电池的界面工程

图7 钙钛矿太阳能电池的结构与能级

有机无机杂化电池，尤其是钙钛矿系列，在发光二极管、传感器、光电检测器等方面展现出极好的应用前景。近年来，卤族钙钛矿基薄膜光伏设备的PCE在4年间已经从3.8%飞涨至17%多。先进钙钛矿太阳能电池的理论能量转换率（PCE）可以通过设备实现精准调控。

加州大学洛杉矶分校的杨扬（通讯作者）等人通过控制钙钛矿层的形成及其他材料的选择，从而抑制载体在吸收层中的重组，加速其进入传输层，并在电极中保持其良好的状态。通过测试，电池PCE的平均值提高至16.6%，其中最高效率达到19.3%。

原文链接：Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells(science, 2014, DOI: 10.1126/science.1254050)

7.高性能有机无机混杂钙钛矿太阳能电池的溶剂设计

图8 电池的架构、钙钛矿层的XRD及溶剂设计过程

有机铅三卤化合物钙钛矿材料已经成功地应用于高效能光伏电池中。其两种不同的电池结构，在微观金属氧化物和平面异质结方面已展现出令人惊叹的性能。

因此，韩国化学技术研究所的Nam Joong Jeon和Jun Hong Noh（共同通讯作者）等人研究出一种双层的架构，这是由充分溶解后得到的微观金属氧化物和平面异质结为主要特征的结构所组成。他们利用CH₃NH₃ Pb(I_1-xBr_x )₃ (x =0.1–0.15)作为吸收层，聚合物（三苯胺）作为孔洞传输材料，所得到太阳能电池的能量转化率（PCE）为16.2%，并且无滞后效应，这一结果使得溶剂加工在实现低成本高效能的钙钛矿中的地位更加显著。

原文链接：Solvent engineering for high-performance inorganic–organic hybrid perovskite solar cells  (Nature Materials,2014, doi:10.1038/nmat4014)

8.聚合物与小分子的协同作用在高性能三元有机太阳能电池中的应用

图9 三种物质的化学结构和三元电池活性层图

近年来，在体异质结有机太阳能电池的二元活性层上所取得了重大突破，这层活化层是D-A体系，其中聚合物或小分子作为给体，富勒烯衍生物作为受体。若将聚合物与小分子的优势相结合，所得到的活性层的效率会更高。同时，相比于二元有机太阳能电池而言，拥有两个给体和一个受体的三元体系通过两个互补吸收的受体，可以宽化活性层的吸收范围。

因此，国家纳米科技中心的卢坤和魏志祥（共同通讯作者）等人设计组装了一种新型三元太阳能电池，是由D-A型的聚合物和新型小分子组成。当小分子含量为40%时，得到了理想的三元太阳能电池，其展现出8.4%的高能量转化率，这高于聚合物基或小分子基的二元太阳能电池，并且聚合物与小分子的协同作用显著。

原文链接：Synergistic Effect of Polymer and Small Molecules for High-Performance Ternary Organic Solar Cells（Adv. Mater.，2014，DOI: 10.1002/adma.201404902）

本文由材料人编辑部学术干货组张怡供稿，材料牛编辑整理。

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