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!
图1. 美国可再生能源实验室的太阳能效率图
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。
图2. APOSC年限出版物和PCE
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。
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。
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。
[2] Nat. Rev. Matter. 2019, DOI: 10.1038/s41578-019-0137-9.
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