Joule综述：有机太阳能电池要翻身？全靠高分辨率光谱技术

降低温室气体排放，减缓气候变化，同时满足不断增长的能源需求是这个时代需要应对的挑战。太阳能电池是最清洁的储能体系之一。利用太阳能电池能将太阳光直接转化为电能，且不会释放任何副产物。如今，硅已成为卓越的光伏材料，但高纯硅原料的生产伴随着高能耗，这导致高的能源回收期（EPBT）。因此，需要探索和推进可替代的光伏技术，真正突破硅基太阳能电池的应用瓶颈。其中一种值得关注的新兴技术是有机太阳能电池。

高吸收系数的共轭分子和聚合物是有机光伏材料的一个重要标志。200 nm厚的薄膜就可以十分高效地吸收太阳光，而多晶硅片需要100-200 μm。这个鲜明的特征使有机光伏电池具有下列优势：（1）原料需求量少，200 kg的有机活性物质就可以覆盖1平方公里。（2）厚度减少意味着吸收层中光生载流子的横向传输路径短，降低的电阻有利于电流传输。因此，有机光伏材料对载流子迁移率的要求比较宽松，允许材料处于高水平无序态。这使低成本、高能效的近室温技术成为可能。这些技术可以加工半结晶材料成薄膜，例如标准真空沉积、标准涂覆和印刷技术。

在过去的几十年中，尽管有机太阳能电池取得了稳定的进展，并实现了一定程度的商业化，但追求更高的效率始终是重要的学术研究活动。另外，随着钙钛矿薄膜太阳能电池取得了飞跃的发展，有机光伏开始处于下风。但在过去的2年内，有机太阳能电池的效率再一次得到提高，单结电池效率超过15%，串联电池的效率可达17.29%（图1）。如图1所示，2016年后出现的拐点是由于非富勒烯新受体材料的开发。这些新受体材料具有优越的光吸收性能、高电荷迁移率和能量前沿轨道的特点，进而产生高效的光电性能。这些性能的新高度再次使有机太阳能电池成为焦点。

图1. 固态有机光伏器件的光电转换效率

共轭分子和聚合物的设计思路高度依赖于研究人员对于光吸收材料对器件光伏性能影响的理解程度。在聚合物太阳能电池中，这些吸收层通常包含给体和受体，即有机半导体混合物。这种混合物被称为体异质结，具有复杂的纳米形貌，而且对激子（有机半导体吸收的光子激发产生可移动的电子和空穴）的有效分离至关重要。这为载流子传输到相应的载流子收集层提供有效的路径，以产生尽可能高的电流密度。过去十年内，由先进X光源和尖端工艺组成的GIWAXS这种高分辨率结构表征在了解薄膜形貌优化、提高光电流的器件制造方面发挥了重要作用。但是，考虑到光伏器件产生电能，不仅需要优化光电流甚至填充因子，更需要注意的重要光伏参数是光电压或者开路电压（V_oc）。

在本期的Joule中，Yana Vaynzof教授及其同事证实了紫外光电子能谱（UPS）能够应用到有机太阳能电池，通过深度剖析去获得整个器件中相关材料的能级，建立“能级地貌”。UPS是一项用于获取材料电子水平的著名技术。在这次报道的研究中，作者将表面敏感技术UPS与氩气团簇离子束（GCIB）蚀刻相结合，使其具有纳米级分辨率。与标准的单原子离子束轰击相比，GCIB可以减少对被刻蚀表面的破坏。由于UPS测量的表面相关特性，每个蚀刻步骤之后的膜表面质量至关重要。通过GCIB蚀刻提高了灵敏度，解决了有机光伏中最关键的问题之一：即限制V_oc的因素。

电流密度的最简单概念可以描述为单位时间内在表面上移动的多个电荷（电荷以库仑为单位），但是没有用单粒子类比来描述光电压。这是一个基于粒子集合的概念，可以通过统计热力学来描述。空穴和电子的空间不均匀分布用准费米能级或电化学势来描述。与光电压概念相关的复杂性日益增加，这引发了用哪种分子和聚合物提升V_oc的争论。在2008年，作者的课题组提出，在供体和受体界面上通过电子耦合形成的基态电荷转移（CT）复合物对于确定V_oc的值具有重要意义，后来经过了实验证实。此CT络合物的光子能量取决于在体异质结中混合的供体和受体材料的前沿轨道，特别是供体分子的最高占据分子轨道（HOMO）和受体的最低未占据分子轨道（LUMO）的能量差。但是，由于CT复合体位于界面处，因此考虑供体和受体之间电子耦合的影响（导致修饰后的HOMO和LUMO能量）非常重要。值得注意的是，界面上的这些值不一定是在无分子相互作用时的测量值。因此，如Lami等人所述，为了了解可产生最佳V_oc的材料设计，先进的高分辨率光谱技术至关重要，可以表征体异质结有机太阳能电池的前沿轨道。

这个表征工具将如何为科学界服务，以进一步推进有机太阳能电池中V_oc的理解和优化仍是一个悬而未决的问题。尽管能够很有效地测量和预测CT复数能量，但其他技术也可以获得该信息，而其他性质如电荷复合的机制对预测V_oc的值也同样重要。这些复合机制在很大程度上取决于薄膜的形态。即使GCIB在减少表面损伤方面迈出了一大步，但未来的研究最终将决定这种方法的全部潜力。目前，它是一个受欢迎且有前途的新工具，可帮助升级有机光伏和其他有机半导体的设备平台。

  文献信息

In-Depth Spectroscopy and New Heights for Organic Solar Cells （Joule | 2019）

DOI：https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.09.013

链接：

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30473-8

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | Mr. Jeran

主编丨张哲旭