學術干貨|一份近三年有機太陽能電池頂刊匯總等你查收哦！

有機太陽能電池的研究因全球能源需求量逐年攀升而備受矚目，目前根據有機太陽能電池的器件結構可以分為單質結、異質結和染料敏化太陽能電池，而根據電池材料，可分為小分子太陽能電池材料、大分子太陽能電池材料、D-A體系材料、有機無機雜化體系材料。其中，有機無機雜化體系材料利用了無機材料高的載流子遷移率和有機材料大的光吸收系數，是太陽能電池材料的研究熱點及未來的發展趨勢。接下來，小編帶大家介紹下有關有機太陽能電池近三年頂刊文獻。

1. 1.97V高開路電壓的無富勒烯串聯有機太陽能電池

圖1 化學結構和其常規的吸收圖譜

圖2 串聯電池及其各材料的能量級圖

串聯有機太陽能電池（OSCs）通過多個光敏吸收層的連接大大提高了電池的光利用率，相對于單質結電池，其致密度高、質量輕，能提供較高的光電壓。前期研究較多的是在體異質結混合富勒烯受體中，串聯OSCs所使用的光敏層，但其開路電壓低。目前，研究人員發現無富勒烯串聯OSCs在諸多方面體現出其優勢。

基于此，浙江大學的李昌治和陳紅征（共同通訊作者）等人利用P3HT:SF(DPPB)4 和 PTB7-Th:IEIC塊體異質結分別作為電池的首尾，成功地研制出高開路電壓為1.97V的無富勒烯串聯OSCs。此電池的能量轉化效率能達到8.48%，同時已經在太陽能驅動的水解離設備中得到測試，他們實驗結果給予了新型材料在串聯OSCs中使用的新思路。

原文鏈接：Nonfullerene Tandem Organic Solar Cells with High Open-Circuit Voltage of 1.97 V（Adv. Mater.，2016，DOI：10.1002/adma.201603518）

2.應用在有機鈣鈦礦太陽能電池受體和陰極緩沖層材料的富勒烯衍生物

圖3 陰極緩沖層的結構

近年來，有機太陽能電池（OSCs）與有機無機雜化鹵族鈣鈦礦太陽能電池（pero-SCs）已經被視為兩大最有前途的可再生光伏發電技術。在近期的研究中表明， OSCs和pero-SCs的能量轉化率（PCE）已經分別超過10%和20%，這得益于優化光敏層和陰極緩沖層的材料。

蘇州大學的李耀文和李永舫（共同通訊作者）等人在此基礎上全面地總結了富勒烯衍生物OSCs和pero-SCs中作為受體和陰極緩沖層起到的重要作用，并且提出未來應著眼于研究新型富勒烯衍生物，更深入地探索、控制這些物質的物理化學性質，以提高光伏技術在OSCs 和pero-SCs中的應用。

原文鏈接：Fullerene Derivatives for the Applications as Acceptor and Cathode Buffer Layer Materials for Organic and Perovskite Solar Cells?(Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601251)

3. 有機太陽能電池電荷產生過程中受激發供體或受體的二分作用

圖4 供體與受體能量偏移圖

有機太陽能電池中的光電流產生取決于活化層的光吸收量、解離激發至自由電荷的效率和這些電荷分離與收集的效率。電荷分離一般發生在給體或受體激發后，電荷的產生效率則取決于電子間的吸引力、給體與受體的電離潛能及激發態的能量。但是電荷轉化的阻礙存在于激發態的給體和受體之間的差異。

因此，荷蘭埃因霍芬理工大學的Rene? A. J. Janssen（通訊作者）等人研究四種不同的DPP高聚富勒烯太陽能電池，在研究光激發態給體和受體所產生電荷的差異性時，意外地發現，為了使給體與受體之間產生高效的電荷，這需要激發態受體的能量損失比同種狀態下給體的能量損失高0.3eV。這項成果可以解釋有機太陽能電池電荷產生過程中受激發供體或受體中存在的二分作用。

原文鏈接：Dichotomous Role of Exciting the Donor or the Acceptor on Charge Generation in Organic Solar Cells?（J. Am. Chem. Soc., 2016,??DOI: 10.1021/jacs.6b05868）

4. 具有強π-π相互作用的寬能帶隙聚合物用于無富勒烯聚合太陽能電池

圖5 電池結構、物質的吸收圖譜、分子結構及能級圖

針對于富勒烯基太陽能電池中存在的能量損耗大、可見光區域吸收率低等問題，非富勒烯基太陽能電池因能克服這些缺點，進而得到快速的發展。但非富勒烯基太陽能電池的能量轉化率（PCE）仍低于富勒烯基，因此應著眼于研究新型給體材料，以提高非富勒烯基太陽能電池的PCE。為了更好地吸收光子，理想的活性層應具有寬而強的光吸收帶，因而受體和給體之間應該具有互補的光吸收性能。

中科院化學研究所的侯劍輝及高麗大學的Han Young Woo（共同通訊作者）等人設計合成了一種寬能帶隙的聚合物給體PBDTS- DTBTO。這一物質展現出1.76 eV的寬能帶隙以及強π-π的相互作用。PBDTS-DTBTO-ITIC組裝的有機太陽能電池對于活化層厚度變化的敏感性較小，并且當活化層的厚度在可以達到55-245 nm范圍內，其PCE為9.09%，因而被認為是理想的非富勒烯基太陽能電池材料。

原文鏈接：A Wide Bandgap Polymer with Strong π–π Interaction for Efficient Fullerene-Free Polymer Solar Cells（Advanced Energy Materials，2016，DOI：10.1002/aenm.201600742）

5. 具有9.7%效率的一種新型寬能帶隙聚合物基的P-N結有機太陽能電池

圖6 紫外可見光吸收圖譜、PDBT-T1電化學循環伏安法、電池的結構及電池中各成分的能級圖

近年來，由共軛聚合物和富勒烯衍生物組成的有機體異質結太陽能電池日漸引起人們的關注，這得益于其質量輕、成本低，以及在制造大型靈活設備中存在的巨大潛力。目前D-A共軛聚合物的研究圍繞著中能帶隙(MBG)和窄能帶隙(LBG)共聚物，但在設計研制高性能寬能帶隙（WBG）聚合物上仍然存在挑戰。

基于此，北京航空航天大學的孫嚴明（通訊作者）等人研究出一種新型WBG共聚物，即具有1.85eV能隙的PDBT-T1，它是由富電子的DTBDT亞族和貧電子的T1亞族組成。PDBT-T1作為給體、PC70BM作為受體的P-N結太陽能電池已經制造出來了，在無溶劑添加和后續熱處理的條件下能達到8.3%的高能量轉化率（PCE）。當DIO作為溶劑添加劑加入時，PCE能達到9.7%，這是目前所報道的WBG聚合物基P-N結有機太陽能電池所能達到的最高值。

原文鏈接：Single-Junction Organic Solar Cells Based on a Novel Wide-Bandgap Polymer with Efficiency of 9.7%（Adv. Mater.，2015，DOI:?10.1002/adma.201500647）

6.高能效鈣鈦礦太陽能電池的界面工程

圖7 鈣鈦礦太陽能電池的結構與能級

有機無機雜化電池，尤其是鈣鈦礦系列，在發光二極管、傳感器、光電檢測器等方面展現出極好的應用前景。近年來，鹵族鈣鈦礦基薄膜光伏設備的PCE在4年間已經從3.8%飛漲至17%多。先進鈣鈦礦太陽能電池的理論能量轉換率（PCE）可以通過設備實現精準調控。

加州大學洛杉磯分校的楊揚（通訊作者）等人通過控制鈣鈦礦層的形成及其他材料的選擇，從而抑制載體在吸收層中的重組，加速其進入傳輸層，并在電極中保持其良好的狀態。通過測試，電池PCE的平均值提高至16.6%，其中最高效率達到19.3%。

原文鏈接：Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells(science, 2014, DOI: 10.1126/science.1254050)

7.高性能有機無機混雜鈣鈦礦太陽能電池的溶劑設計

圖8 電池的架構、鈣鈦礦層的XRD及溶劑設計過程

有機鉛三鹵化合物鈣鈦礦材料已經成功地應用于高效能光伏電池中。其兩種不同的電池結構，在微觀金屬氧化物和平面異質結方面已展現出令人驚嘆的性能。

因此，韓國化學技術研究所的Nam Joong Jeon和Jun Hong Noh（共同通訊作者）等人研究出一種雙層的架構，這是由充分溶解后得到的微觀金屬氧化物和平面異質結為主要特征的結構所組成。他們利用CH₃NH₃ Pb(I_1-xBr_x?)₃ (x =0.1–0.15)作為吸收層，聚合物（三苯胺）作為孔洞傳輸材料，所得到太陽能電池的能量轉化率（PCE）為16.2%，并且無滯后效應，這一結果使得溶劑加工在實現低成本高效能的鈣鈦礦中的地位更加顯著。

原文鏈接：Solvent engineering for high-performance inorganic–organic hybrid perovskite solar cells ?(Nature Materials,2014, doi:10.1038/nmat4014)

8.聚合物與小分子的協同作用在高性能三元有機太陽能電池中的應用

圖9 三種物質的化學結構和三元電池活性層圖

近年來，在體異質結有機太陽能電池的二元活性層上所取得了重大突破，這層活化層是D-A體系，其中聚合物或小分子作為給體，富勒烯衍生物作為受體。若將聚合物與小分子的優勢相結合，所得到的活性層的效率會更高。同時，相比于二元有機太陽能電池而言，擁有兩個給體和一個受體的三元體系通過兩個互補吸收的受體，可以寬化活性層的吸收范圍。

因此，國家納米科技中心的盧坤和魏志祥（共同通訊作者）等人設計組裝了一種新型三元太陽能電池，是由D-A型的聚合物和新型小分子組成。當小分子含量為40%時，得到了理想的三元太陽能電池，其展現出8.4%的高能量轉化率，這高于聚合物基或小分子基的二元太陽能電池，并且聚合物與小分子的協同作用顯著。

原文鏈接：Synergistic Effect of Polymer and Small Molecules for High-Performance Ternary Organic Solar Cells（Adv. Mater.，2014，DOI: 10.1002/adma.201404902）

本文由材料人編輯部學術干貨組張怡供稿，材料牛編輯整理。

歡迎優秀碩、博士生加入材料人編輯部學術干貨小組，一起傳播學術知識，展示你的才華，助力材料科研，優秀稿件一經錄用，我們會奉上稿酬，趕快私信管理員負責人“淡年華（QQ:601416321）”報名吧！

歡迎各大課題組到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。