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ACS Energy Letters综述:有机太阳能电池的最新进展和挑战​

ACS Energy Letters综述:有机太阳能电池的最新进展和挑战​

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研究简介
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有机太阳能电池(OSC)具有低成本、轻巧、易加工且对环境的影响小等优点,被认为具有替代无机太阳能电池的巨大潜力。较低的光电转换效率(PCE)和较短的寿命成为OSC大规模商用的挑战。钙钛矿太阳能电池(PSC)的出现以非常重要的方式改变了光伏研究领域,在过去几年中有成千上万的出版论文。OSC研究人员已经休息了一段时间,一些OSC研究小组已经将研究方向完全转移到PSC。这种趋势已在许多会议中得到体现,在PSC上的展示数量在增加,而在OSC上的展示数量却在减少。但是,根据Web of Science的数据,过去五年中OSC和PSC的出版物数量分别约为19000和11000。实际上,OSC研究在克服上述长期存在的PCE低和器件寿命低的挑战上取得了重大突破性进展。
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有机太阳能电池的PCE
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OSC最令人关注的特性是PCE,它与器件的耐用性和使用寿命一起成为大规模利用的关键。OSC的最新进展表明,单结器件的PCE为16.5%(图1),而串联器件的PCE为17.3%。比15年前的PCE高三倍多!


这些成果结合了近年来的一些新进展,例如新的非富勒烯电子受体在太阳光谱中具有更宽的吸收率,电荷分离驱动力的低损耗,优化的膜形貌以及界面层和器件工程。将小分子联酰亚胺衍生物嵌入ZnO界面层可以使PCE增至近16%。这些结果为在未来几年内OSC的PCE达到> 20%提供了希望。这些新记录的PCE还验证了优化多个因素的方法,以便在光收集、激子分离以及载流子运输和收集方面获得最佳的平衡。


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图1. 美国可再生能源实验室的太阳能效率图

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全聚合物OSC
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以聚合物或小分子作为电子给体和富勒烯或非富勒烯分子作为电子受体的主要体异质结(BHJ)OSC取得了长足的进步,其他形式的OSC器件也因最近的发展而受到关注。这样的一种装置是全聚合物太阳能电池(APSC),其中所有电子给体和受体材料都是聚合物。此类材料的优点可描述为大型且可调的光收集,薄膜形貌的健壮性,大面积器件制造的兼容性以及器件的长期稳定性。如图2所示,APSC的出版物增加了10倍,APSC的PCE达到10.3%,仍然低于聚合物小分子BHJ器件的水平,但其复兴会对未来的OSC产生重大影响。


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图2. APOSC年限出版物和PCE

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大面积OSC模块
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随着实验室器件(1 mm2)的PCE接近20%的目标,具有适度PCE的大面积器件模已经建立。众所周知,在OSC领域中,组件的PCE比实验室器件低约5%。因此,仅当近年来小型器件的PCE远大于5%时,才可能实现模块化。在最近的报道中,对于有效面积为216 cm2(将16个基本单元连接在一起)的模块,其PCE为5.6%,具有60天的出色稳定性,这是OSC大规模应用的重要里程碑。[1] 结果还表明,需要对有机材料中电子过程的基础研究开展大量的工程探索。另外,使制造条件与器件的固有电势匹配仍然是严峻的挑战。该研究使用了PTBTTT:PC71BM BHJ ,而其他最近的更高PCE材料可能会在将来带来更高的组件PCE。
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各种环境下的OSC
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除了PCE,OSC还需要克服器件寿命方面的挑战才能拥有实际应用。迄今为止,大多数OSC器件的表征都是在普通实验室条件下使用太阳光模拟器和氮气氛中进行的。但是,这些器件将在与应用相关的不同条件下使用,例如在大气中,大于一个太阳的照明,室内低光照明和水下。为了维持器件寿命,通过优化固有的活性层形貌和封装延长器件寿命,以规避各种降解过程。室内光照下的室内器件经过设计,可以捕获最佳数量的光子,以实现特定的省电操作,这得益于有机材料的灵活性和部分透明性。此外,除了优化活性层中分子堆积的这个常用方法之外,选择性去除顶部电极附近的电子受体还有助于实现高度耐用的有机太阳能电池,该太阳能电池甚至可以在不封装的情况下在水中起作用。

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设备损耗最小化
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OSC中不同步骤(光吸收,激子分离,电荷载流子迁移和电荷收集)的最佳条件通常不匹配。例如,由于聚合物在固体膜中固有的结构无序而导致的宽吸收光谱可能有利于收集太阳光,最低能量的电子跃迁分布也可以增加激子的非辐射衰变速率,这已经被证实会导致开路电压明显损失。相反,一些小分子给体分子与聚合物相比具有更规则的堆积,这有效地减少了能量无序,从而减少了激子的非辐射衰减,并使驱动力损失最小化。在分子水平上更好地了解损失机理可以为更好的OSC指导材料设计。


OSC研究中的其他问题还包括合成中的绿色化学,以最大程度地减少对环境的影响并降低生产设备的成本。从基本的电子过程来看,最近的一篇综述[2]强调了电荷转移(CT)状态在OSC材料和器件性能中的作用,该工作在激子状态下和所有中间状态下,使与能量无序有关的能量损失最小化,这都与OSC性能相关。

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全文总结
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总而言之,在过去的几年中,OSC在高PCE、持久运行和大面积过程方面取得了巨大进步,显示了大规模应用的光明前景。作者希望看到OSC和PSC在不远的将来给全球能源格局带来重大变化。

Ref:
[1] Prog. Photovoltaics 2019, 27, 264−274.

[2] Nat. Rev. Matter. 2019, DOI: 10.1038/s41578-019-0137-9.

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文献信息
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Organic Solar Cells: Recent Progress and Challenges(ACS Energy Lett. 2019)
DOI: 10.1021/acsenergylett.9b02071
链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b02071#

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