一、有机光伏的背景简介

溶液加工的有机光伏（OPV）或有机太阳能电池（OSC）作为一种变革性的太阳能技术，具有高通量制造的巨大潜力，且它们由无毒、丰富的原材料制成，耗能低。它们由于具有质轻、柔性、材料结构多样等优势，可以用作各种低成本、美观的电源，例如便携式电源和建筑集成光伏。然而，相比于具有高介电常数的无机半导体，在吸光后可以直接产生自由电荷载流子（空穴和电子），有机半导体由于其较低的介电常数常数通常只能产生激子（束缚空穴−电子对，库仑引力∼0.5eV）。这大约是室温下环境中的可用热能量（kBT=25 meV）的20倍，因此需要额外的能量分离有机半导体中空穴-电子对以产生自由电荷载流子。为了实现这一点，OPV器件中的活性层通常由具有电子亲和势（EA）或电离势（IP）差异的电子给体和受体材料组成，这有助于激子的有效分离以及随后的电荷载流子的转移。

二、有机光伏的发展历程

邓青云等人在1986年报道的第一个OPV器件显示出相当低的功率转换效率（PCE，约为1%），这是由于其双层器件结构中的给体-受体界面有限，从而阻碍激子有效分离成电荷。1995年，俞刚等人开发了一种巧妙的解决方法通过采用具有体异质结（BHJ）活性层的器件（该活性层包括D-A（其中D为给体，A为受体）异质结的双连续网络），可以实现更有效的激子离解和电荷产生。基于这种方法，OPV研究随着新材料和器件结构的开发而不断发展，在过去20年中，它的PCE从约3%提高到18%以上，如图1所示。

在OPV研究的初始阶段，通过优化BHJ层的形貌取得了进展，BHJ层通常为P3HT和富勒烯受体（FAs）（如PC₆₁BM）（参见图1的插图）。在这一发展之后，大部分研究集中于设计新的给体材料（共轭聚合物或小分子），其具有改进的与FAs（例如PC₆₁BM和PC₇₁BM）互补的光吸收性能，以及由二维电荷传输网络（例如PBDB-T、PTB7-Th或命名PCE10，参见图1的插图）或强分子聚集能力（例如PffBT4T-2OD或命名PCE11，参见图1的插图）引起的改善的电荷传输性能。这些发展加上FAs的强吸电子能力和优异的电子传输性能，使得该类OPV器件的PCE超过11%。

图1 美国国家可再生能源实验室（NREL）记录的有机太阳能电池（OSC）最高认证效率（从2001至2021年）。OSC的发展经历了以下三个阶段：（i）基于P3HT:PC₆₁BM；（ii）开发新的给体，如PCDTBT、PTB7-Th、PffBT4T-2OD和PM6；以及（iii）开发新的非富勒烯受体材料，从A−D−A型的ITIC系列到A−DA’D−A型的Y6系列。

然而，这些FAs的光吸收、化学和相稳定性较差，结构多样性有限，从而严重阻碍了更高效器件的制备。为了解决这个问题，具有高度可调的光电子性质（如能级、光吸收和电子迁移率）和多种结构变化的非富勒烯受体（NFAs）近些年被开发出来。例如，基于小分子稠环的A–D–A型NFA（如最为著名的ITIC，参见图1的插图）已被证明是制备高性能OPV器件的非常有前景的受体，在短短几年内就将OPV的PCE从6%提高到14%。然而，这些器件的开路电压和电荷产生效率之间存在的平衡，影响了它们的器件性能进一步提升至无机或钙钛矿光伏器件的水平。

2019年初，邹应萍等人报道了一种基于A–DA′D-A型的NFA（命名为Y6，见图1的插图），与给体聚合物PBDB-T-2F（也称为PM6，见图1插图）制备的OPV器件的PCE超过了15%，主要是由于该器件同时具有的高外部量子效率（EQE~85%）（即较高的短路电流）和较小的能量损失（E_loss~ 0.5eV）（即较高的开路电压）。这之后，基于该类A–DA′ D–A型NFA的OPV器件的PCE很快就发展至超过18-19%，并且通过使用叠层器件结构实现了超过20%的PCE。

尽管取得了这些重大突破，但我们更需要从根本上理解这些最先进的OPV材料体系的结构与性能的关系。这些关系以互连的方式联系在一起，从有机半导体的化学结构和这些结构单元的分子堆积模式开始，到混合形貌和衍生的光电子性质 — 这是由D-A半导体的化学结构决定的，该结构也影响着光子转换为电子的过程 — 并结合器件结构最终影响其特定的性能（即电荷产生效率和E_loss）。基于器件性能和对器件加工产生的材料特性的理解，它可以生成一个连续反馈回路，以进一步改进新材料和OPV器件的设计。最终，这将通过优化电荷产生、E_loss、电荷传输和收集实现器件的进一步改进，以使单结OPV器件的PCE达到20%以上。这将使下一代OPV器件的性能能媲美无机光伏器件的。

三、文章简介

在此综述中，华南师范大学的张桂传，香港城市大学的Francis R. Lin，叶轩立、Alex K.-Y. Jen，纽伦堡-埃尔朗根大学Christoph J. Brabec和香港大学的Philip C. Y. Chow等人首先简要介绍了限制OPV器件性能远低于无机光伏器件的两个关键平衡问题（电荷产生效率vs E_loss和吸光活性层厚度vs电荷传输）；然后详细讨论了近几年来在开发OPV材料方面取得的进展，包括高性能A-D-A和A-DA′ D–A型NFAs，与Y6系列NFAs兼容的新型给体聚合物、高效多组分OPV体系、全小分子和全聚合物OPV体系；随后总结了当前对OPV器件的结构与性能关系和运作机制的基本理解；此外，还讨论了与这些器件未来商业化相关的领域，如稳定性、模组性能和潜在应用（即室内应用）；再者，也简要介绍了高通量制造的策略，包括高通量光学建模和快速优化，以发展所需的高性能OPV体系；最后，简要讨论了OPV技术作为一种可行的清洁能源的挑战和未来前景。

作者认为随着对最先进的OPV体系的结构与性能关系和工作机理的深入理解，将开发更先进的OPV材料和器件，以实现OSC的更低能量损失和更高的电荷生成效率，从而进一步提高其PCE至接近无机或钙钛矿光伏器件。这之后将需要充分了解这些高性能OSC的衰变机理，以进一步提高其寿命，到达满足商业化的需要，还需要掌握基于这些OPV体系制造高性能低成本大面积模组的技术。最后，结合OSC的新且独特的应用（如下一代便携式电源、建筑集成光伏、室内光伏等）以及加速OSC发展的新兴高通量方法，相信OPV可以在未来5-10年内实现商业化。

四、参考文献

Zhang, G. et al. Renewed Prospects for Organic Photovoltaics. Chev. Rev.

Doi: 10.1021/acs.chemrev.1c00955 (2022).

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.1c00955