來電只是愛情的專利??NO!有機電池也擁有這個權利

隨著地球石油資源的日漸衰減，新能源領域愈發的被重視起來，尤其在科技日益進步的今天，發展速度之快也令人舌撟不下。

其中有機太陽能電池作為新能源的一種，也發展火熱。從1986年C.W.Tang首次提出了把給體材料和受體材料分別置于兩層中的雙層器件結構，能夠做到接近1%的效率，到現在2020年1月丁黎明教授報道了有機太陽能電池的最高效率18.22%，效率增長突飛猛進，本文將針對各類有機太陽能電池進行總結。

1、二元組分效率最高值--18.22%

丁黎明教授帶領的團隊近日有了重大突破，據報道，作者合成了一個基于融合環受體單元DTBT的D-A共聚物供體D18。其中D18空穴遷移率較高，達到1.59×10^-3?cm²?V^-1?s^-1。更有利于達到空穴和電子遷移率的平衡，因此作者制備了ITO/PEDOT:PSS/D18:Y6/PDIN/Ag結構的太陽能電池，通過優化D/A比，活性層厚度，以及一系列的后處理：添加劑含量和溶劑氣相退火(SVA)時間，從而達到一個較優的效率，最佳效率達到的PCE為18.22%，Voc為0.859 V， Jsc為27.70 mA cm^-2， FF為76.6%。這項工作表明了基于融合環受體單元DTBT共聚物給體具有巨大的潛力，其中D18具有1.98 eV的寬頻帶隙，將會在三元太陽能電池和串聯太陽能電池有很好的應用前景，這也許打開了通往效率更高途徑的大門。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.01.001

2、三元組分有機太陽能電池--效率最高值已經達到17%

Advanced Materials在2019年9月31日報道了三元組分有機太陽能電池的最高效率17.0%。其中通訊作者為Thomas D. Anthopoulos，來自于阿卜杜拉國王科技大學。作者首先利用液體來剝離二維過渡金屬二硫化物，然后將其作為有機太陽能電池中的空穴傳輸層，進而探究其對光伏性質的影響。通過一系列的實驗，結果發現，剝離二維過渡金屬二硫化物制成的懸浮液可以直接涂在透明氧化銦錫(ITO)電極上，這樣就能明顯的改變有機太陽能電池的光伏性質，不需要在進行其他后處理。同時，作者對比了含有WS₂的空穴傳輸層比MoS₂的區別，結果發現，含有WS₂的空穴傳輸層更加均一。另一方面，從光伏性質也可以發現，含有WS₂的空穴傳輸層具有更高的光電轉換效率，同時FF（填充因子）和Jsc(短路電流密度) 顯著提高。以WS₂為空穴傳輸層的，以PBDB-T-2F:Y6:PC₇₁BM為活性層材料的三元組分有機太陽能電池，其PCE最高為17%，FF為78%，開路電壓為0.84 V，?Jsc為26 mA cm^?2。同時作者還分析了器件性能提高的原因，通過測試變光強電流和變光強電壓曲線進行載流子復合特性的分析，數據結果顯示，以WS₂為空穴傳輸層的有機太陽能電池性能的提高很可能是由于有利的光子結構和雙分子復合損失的減少。

文獻鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201902965

3、Science：有機太陽能疊層電池效率的領跑者

Science在2018年9月14日報道了有機疊層太陽能電池的最高效率—17.3%，其中作者是南開大學化學學院陳永勝教授團隊、中科院國家納米科學中心丁黎明教授、華南理工大學葉軒立教授研究團隊合作。值得強調的是疊層效率的最高效率到目前為止仍然還是17.3%。在當時可以說是實現了很大的突破。首先作者運用模型篩選材料適合串聯太陽能電池的活性材料。模擬結果發現合適的后電池活性材料有以下要求，該材料的吸收截止最好在1050到1150納米之間，然而這類材料往往都會有巨大的電壓損失，經過篩選發現只有少數材料可以做到高Js，適合后電池。選定材料后，他們以在不同波長具有良好互補吸收的PBDB-T:F-M和PTB7-Th:O6T-4F:PC₇₁BM分別作為前電池和后電池的活性層材料，最終使得PCE達到17.36%，Voc為1.642 V， FF值為73.7%，Jsc為14.35 mA/cm²，經國家太陽能光伏產品質量監督檢驗中心驗證，PCE值為17.29%。

另外作者還做出了自己的預測：在最佳EQE為80%、Eloss為0.45 eV和FF為0.75的情況下，PCE >25%應該是可以實現的。另外結合到OPV的其他優勢，如果OPV的穩定性問題能夠得到解決的話，那么有機太陽能電池技術在未來的工業應用中應該具有一定的競爭力。

文獻鏈接：

http://science.sciencemag.org/content/361/6407/1094

4、全小分子有機太陽能電池--14.34%的光電轉換效率

2019年11月26日，Nature Commun報道了全小分子有機太陽能電池達到14.34%，其中通訊作者是以國家納米科學中心魏志祥研究員、呂琨研究員、瑞典林雪平大學高峰教授、西安交通大學馬偉教授。作者指出小分子自身結晶性較為理想，但是較難控制，結晶性過強容易產生較大尺度的相分離，就不容易產生良好的相純度和有序排布，從而使得全小分子形貌的優化較難調節，限制了光電轉換效率（PCE）的提升。

魏志祥課題組選擇平面性較好的五元稠環二噻吩并苯并二噻吩作為核心基團構筑了A-π-D-π-A型小分子給體ZR1分子，并選用了二噻吩作為π橋，代替常用的三噻吩π橋，以降低HOMO能級并增加分子的剛性；活性層受體選擇Y6小分子，由于的吸收光譜相對較寬，具有24.34 mA cm^?2的高Jsc。此外，TEM和RSoXS結果顯示，ZR1:Y6共混到形成一個優化的層次形貌，這可能是由于ZR1具有的較高的結晶度。但是小分子的較強的結晶度一般增加了在混合膜中形成超大相分離域的可能性，從而導致低Jsc和FF值。所以在本研究發現，層次的存在形貌對電荷的分離和輸運很重要，最終導致高PCE，在活性層形貌優化過程中，通過退火溫度（110℃-140℃）的精細調節，實現了多級次形貌的有效調控。最終ZR1：Y6的器件達到了14.34％的最高能量轉換效率（中國計量科學研究院認證效率為14.1％）。

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https://doi.org/10.1038/s41467-019-13292-1

5、刮涂制備效率超過15％的大面積有機太陽能電池

2019年12月23日，華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室以黃飛教授為首的團隊，制備了有機太陽能電池大面積器件（1cm²），獲得了效率超過15%的，可以說是為工業化進一步又邁進了一步。大面積刮涂的有機太陽能電池效率一直偏低，主要是由于形貌的問題，作者以PM6:Y6作為活性層，通過一系列的實驗，作者發現，當采用刮涂的工藝去加工器件時，所獲得的小面積刮涂器件的效率才達到13.2%，而對應的通過旋涂儀旋涂出的器件的效率可以達到（15.8%）。進而，作者將當少量的聚合物n型半導體N2200添加到活性層體系中，所獲得的小面積刮涂器件的效率可達到16%。作者進一步研究了N2200添加的作用，研究發現，當使用刮涂工藝時，活性層時容易發生聚集，主要是Y6容易形成較大的聚集體；引入N2200能夠有效地擬制受體Y6的過度聚集，從而實現較好的相分離結構。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1002/eom2.12006

6、專家教授看待有機太陽能電池的發展

有機光伏效率發展到今天，還依然存在一些問題，讓我們來看看專家學者怎么說：

南開大學陳永勝教授說：“依據我們提出的半經驗模型預測，有機太陽能電池（疊層）的最高轉化效率理論上可以達到20%以上。本次工作中，我們同時也對電池的壽命進行了初步試驗，發現166天實驗后電池效率僅降低4%。未來，我們將繼續設計新的材料，在進一步提高能量轉化效率的同時，針對電池壽命問題進行系統的實驗，爭取讓有機太陽能電池早日從實驗室走向實際應用。”

北京大學占肖衛教授：“我相信，器件效率超過20%指日可待。在未來的5至10年，非富勒烯受體有機太陽能電池可能實現產業化，走進百姓家。”

林雪平大學生物分子與有機電子學系馮高說：“有機太陽能電池在我們的日常生活中被廣泛應用于物聯網。”

PGO周元秘書長說：“光伏人有著百折不饒的精神，地方政府，協會，專家，尤其有一批有強烈社會責任感的企業家一直努力堅持，頂著壓力，積極建言，竭力呼吁，因為，我們一直堅信我們的光伏事業符合習近平主席提出的青山綠水的偉大目標，一個國家需要穩定堅定的發展綱領與方向，同樣，一個行業同樣需要有一個穩定明確的政策，只有整個行業好了企業才能發展更好。”

7、從全球可再生能源投資趨勢報告分析有機太陽能電池的發展

從上面效率的分析，我們可以看出有機光伏有著巨大的研究前景和應用前景，根據 2019《全球可再生能源投資趨勢報告》顯示：關于可再生能源領域，十年內超過2.5萬億投資，其中太陽能光伏領先，十年投資（2010-2019年）讓新能源發電能力翻了兩番，從414GW增至約1650GW，僅太陽能發電量就增加25倍，從25GW增至663GW。讓我們期待有機光伏春天的來臨吧！

數據引自：

https://www.sohu.com/a/340106885_749304

本文由Crystal供稿。

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