盤點：2021年Nature及其子刊上的有機光伏

Nature：電荷復合對有機太陽電池中三重態激子的作用

非富勒烯受體（NFA）在有機太陽能電池中的應用使其能量轉換效率（PCE）高達18%。然而，有機太陽能電池的效率仍然低于無機太陽能電池，后者的PCE通常超過20%。造成這種差異的一個關鍵原因是有機太陽能電池由于非輻射復合。為了使有機太陽能電池在效率上超過無機太陽能電池，必須識別和抑制非輻射損耗途徑。

劍橋大學Richard H. Friend、Alexander J. Gillett，蒙斯大學David Beljonne和加州大學圣巴巴拉分校Thuc-Quyen Nguyen等人發現在大多數使用NFA的有機太陽能電池中，開路條件下的大部分電荷復合是通過形成非發射的NFA三重態激子進行的；在基準PM6:Y6混合物中這一比例達到90%，從而使開路電壓降低60mV。通過設計NFA三重態激子和自旋三重態電荷轉移激子之間的實質性雜交可以阻止通過這種非輻射通道的復合。模型表明，從自旋三重態電荷轉移激子到分子三重態激子的背電荷轉移速率可以降低一個數量級，使自旋三重態電荷轉移激子重新解離。這項工作為太陽能電池的設計提供了一條途徑，其能量轉換效率可達20%或更高。相關研究以“The role of charge recombination to triplet excitons in organic solar cells” 為題目，發表在Nature上。DOI: 10.1038/s41586-021-03840-5

圖1三重態形成途徑和有機太陽能電池材料

Nature Energy：支化側鏈取代策略實現單結有機光伏18.32%效率

北京航空航天大學化學學院孫艷明與上海交通大學劉烽等人利用傳統的支化側鏈取代策略，優化了非富勒烯受體分子的分子堆積，構建了多尺度共混薄膜形貌，制備出了單結器件效率高達18.32%、電壓損失為0.55 V和填充因子為81.5%的有機太陽能電池。該研究工作展示出了支化側鏈拓撲結構在優化分子堆積和薄膜形貌以及提升器件性能等方面的重要性，為進一步設計與合成高性能非富勒烯受體分子提供了新的思路。相關研究以“Non-fullerene acceptors with branched side chains and improved molecular packing to exceed 18% efficiency in organic solar cells” 為題目，發表在Nature Energy上。DOI: 10.1038/s41560-021-00820-x

圖2分子結構、光物理特性和光伏特性

Nature Energy：利用環保溶劑，客體輔助分子組裝策略實現高效率有機光伏

蘇州大學李耀文和瑞典林雪平大學高峰等人通過客體輔助組裝策略，在環境友好型溶劑對二甲苯（PX）中制備的小面積（0.062 cm²）有機光伏器件（OSC），獲得了17.48%的認證PCE。此外，基于該策略，作者利用溶液刮涂法制備了形貌均一的大面積活性層薄膜，獲得了具有世界領先效率的大面積（PCE=14.26%，36 cm²）有機太陽能電池組件。并且，主客體分子間較強的分子間作用力使得活性層形貌穩定性大幅度提升，從而提高了器件的工作穩定性。本工作的客體輔助組裝策略為實現環境友好型溶劑制備高性能大面積OSC提供了一種獨特方法，為OSC的工業化發展打下了堅實基礎。相關論文以題為“A guest-assisted molecular-organization approach for >17% efficiency organic solar cells using environmentally friendly solvents”發表在Nature Energy上。DOI: 10.1038/s41560-021-00923-5

圖3受體的化學結構和結構表征

Nature Energy：有機太陽電池中非輻射電壓損失的統一描述

瑞典林雪平大學高峰、錢德平和亞利桑那大學Jean-Luc Bredas、Veaceslav Coropceanu等人提供了有機太陽能電池中非輻射電壓損失的統一描述。綜合實驗和理論結果表明，低ΔV_nr值是在非富勒烯受體基共混物中獲得的，其具有小的ΔE_LE-CT電流變偏移，這是由于高發射LE狀態與界面CT狀態以及重要的LE狀態的熱群的電子雜化的結果。發現原始材料組分的光激發發光效率決定了有機太陽能電池中ΔV_nr的極限。該工作指出需要設計具有高發光效率和延伸到近紅外區的互補光學吸收帶的給體和受體材料，從而為下一代高效的有機光伏提供了明確的策略。相關論文以題為“A unified description of non-radiative voltage losses in organic solar cells”發表在Nature Energy上。DOI: 10.1038/s41560-021-00843-4

圖4 電荷產生效率與器件ΔV_nr

Nature Nanotechnology：稀釋效應助力高效率多組分有機光伏

多組分有機太陽電池（MC-OSC）混合策略機制的研究是實現其最佳性能的重要途徑。華盛頓大學任廣禹(Alex K.-Y. Jen)和浙江大學陳紅征等人證明了稀釋效應是MC-OSC中的工作機制。通過混合兩個可混溶的受體分子，振動耦合的抑制和帶邊的銳化，V_OC損失減少。協同材料帶隙的拓寬，稀釋效應很好地解釋了MC-OSC中 V_OC損失的減少和與成分依賴的V_OC行為。時間分辨光譜和電學特性的結果表明稀釋劑作為電荷轉移和傳輸的中間步驟而不影響電子遷移率的作用，可適應MC-OSC中實現的高FF。在稀釋效果的基礎上實現普遍改進的器件性能，獲得了18.31%的最佳 PCE，這是文獻報道的OSC的最高效率之一。相關論文以題為“Dilution effect for highly efficient multiple-component organic solar cells”發表在Nature Nanotechnology上。DOI: 10.1038/s41565-021-01011-1

圖5 稀釋效應和光電特性

Nature Communications：從非富勒烯有機光伏的多尺度揭示結構-性能關系

浙江大學陳紅征和左立見等人報道對目前性能最優的四種非富勒烯受體（NFA）組裝形成有機能電池器件，系統的考察其中有機分子的結構、形貌、宏觀性質、器件性能之間的關系。發現非富勒烯受體（NFA）的共拓展共軛結構有助于提高和改善電荷分離性能、降低非輻射損失，同時發現分子的不對稱端基位點能夠更好改善以上兩點。通過縮短烷基側鏈，端基位點堆疊效果更好，因此實現了更高的載流子遷移率和電荷收集效率。通過有效的分子結構優化和改善宏觀的分子排列情況，PM6:BTP-S9結構有機光伏器件的性能達到17.56 %（認證效率達到17.4 %），填充因子高達78.44 %。這是目前不對稱有機太陽能光伏電池器件最好的效率之一。相關論文以題為“Unveiling structure-performance relationships from multi-scales in non-fullerene organic photovoltaics”發表在Nature Communications上。DOI: 10.1038/s41467-021-24937-5

圖6 分子結構、光學和電化學特性

Nature Communications：自旋在有機光伏降解中的作用

牛津大學Moritz Riede和德國合力泰克（Heliatek GmbH）公司Ivan Ramirez等人發現體相異質結（BHJ）太陽能電池中，C60中電荷轉移態向激發態三重態的空穴反向傳輸（BHT，back-hole transfer）是導致C60光作用中降解的首要原因。通過靜態光電測試、時間分辨ESR、變溫瞬態吸收等方法進行驗證。發現BHT現象是比系統間交叉（ISC）更加嚴重的現象，因為BHT過程無法通過改進激子淬滅過程進行彌補。BHT現象不僅僅局限在C60中，在設計更加穩定的有機光伏電池過程中，電子、空穴的反向轉移導致的BHJ降解現象需要受到更加關注。相關論文以題為“The role of spin in the degradation of organic photovoltaics”發表在Nature Communications上。DOI: 10.1038/s41467-020-20601-6

圖7 不同的光物理途徑

Nature Communications：基于聚合小分子受體的全聚合物有機光伏實現16.16%的效率

李永舫院士、孟磊、關波以及美國北卡羅來納州立大學Harald Ade等人合成了兩種基于A-DA'DA小分子受體的聚合小分子受體PS-Se和PN-Se，用于研究分子結構對PSMA光伏性能的影響。PBDB-T:PN-Se共混膜中形成聚集尺寸為10~20 nm的雙連續互穿網絡，理想的形態使其全聚合物有機光伏顯示出更高的能量轉換效率，為16.16%。相關論文以題為“Polymerized small molecular acceptor based all-polymer solar cells with an efficiency of 16.16% via tuning polymer blend morphology by molecular design”發表在Nature Communications上。DOI: 10.1038/s41467-021-25638-9

圖8 PS-Se和PN-Se的分子結構和理化性質

Nature Communications：強紅外吸收窄帶隙受體用于高性能串聯有機太陽能電池

串聯有機太陽能電池基于器件結構，單片連接兩個太陽能電池，以拓寬整體吸收光譜并更有效地利用光子能量。李永舫院士、孟磊和美國北卡羅來納州立大學Harald Ade等人展示了一種簡單的策略，即在小分子受體Y6的中心核和端基之間插入雙鍵以擴展其共軛長度和吸收范圍，合成了一種新的窄帶隙受BTPV-4F，其光學帶隙為1.21 eV。基于BTPV-4F作為受體的單結器件實現了超過13.4%的能量轉換效率和28.9 mA cm^-2的高短路電流密度。采用BTPV-4F作為后電池受體材料，所得串聯器件的能量轉換效率達到了16.4%以上，并且具有良好的光穩定性。結果表明，BTPV-4F是一種高效的紅外吸收窄帶隙受體，具有應用于串聯有機太陽能電池的巨大潛力。相關論文以題為“High performance tandem organic solar cells via a strongly infrared-absorbing narrow bandgap acceptor”發表在Nature Communications上。DOI: 10.1038/s41467-020-20431-6

圖9 分子設計與表征

景行供稿