光伏材料與器件
關注創建者：匿名 創建時間：2026-03-02
光伏材料與器件的實例教程
有機太陽能電池(包括聚合物太陽能電池)具有重量輕、柔性、半透明等突出優點，可使用刮涂、噴墨或者卷對卷等便捷的工藝制備成大面積器件，在建筑一體化、可穿戴電子設備等方面具有巨大的應用潛力，是新一代光伏技術的重要發展方向。有機光伏材料(給/受體材料)是有機太陽能電池的核心，決定著器件的能量轉換效率。因此，發展合理的分子設計策略調制有機半導體材料的物理化學性質進而制備高效有機光伏材料，是提升有機太陽能電池效率的關鍵。
基于以上背景，蘇州大學崔超華教授課題組應邀系統評述了近年來有機光伏材料的研究進展。首先介紹了高效有機光伏材料的分子設計準則，強調了有機光伏材料的創新發展對器件性能提升的重要意義；然后針對有機光伏材料的能級調制對提升器件開路電壓的重要性，系統介紹了烷硫基側鏈工程在調控能級、提升光伏性能的策略：通過烷硫基側鏈策略分別在給電子單元、缺電子單元及共軛π橋的應用，有效調制能級，提升器件開路電壓及能量轉換效率；針對有機光伏器件活性層形貌調控的難點與挑戰，介紹了如何從光伏材料的分子設計層面有效調制分子的聚集態行為、優化活性層形貌，提升器件光伏性能：聚合物給體材料的共軛側鏈策略、小分子給體材料的柔性側鏈策略以及三元共混策略調控共混膜形貌；最后，探討和展望了現階段有機太陽能電池研究過程中存在的科學問題及未來的發展方向。
上述工作以專論形式即將在《高分子學報》2021年第6期"高分子優秀青年學者專輯"印刷出版。通訊作者為蘇州大學崔超華教授。
展開 在很長一段時間里，全聚合物太陽電池（all-PSCs）和全聚合物光探測器（all-PPDs）由于受到高性能聚合物受體的相對缺乏和活性層形貌難以調控的限制，器件性能遠落后于小分子受體體系。因此，發展合適的聚合物受體和調控理想的共混形貌是實現高性能all-PSCs和all-PPDs的關鍵。
近日，華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室段春暉教授課題組聯合東莞理工學院趙雁飛博士、南密西西比大學顧曉丹教授、天津大學葉龍教授在Chemistry of Materials上發表最新研究成果“High-Performance All-Polymer Solar Cells and Photodetectors Enabled by a High-Mobility n-Type Polymer and Optimized Bulk-Heterojunction Morphology”。該工作將應用于有機場效應晶體管（OFETs）的高遷移率n-型聚合物PNDI-DTBT（圖1a）作為聚合物受體引入all-PSCs和all-PPDs中，選用了三種不同化學結構的聚合物給體PBDB-T、J51和PCE10（圖1b）與其搭配，通過形貌調控基于PBDB-T的all-PSCs實現了8.5%的能量轉換效率，all-PPDs實現了1.32 × 10-8 A cm-2的暗電流和4.77 × 1012 Jones的比探測率（-0.1 V偏壓下），優異的器件性能展示出高遷移率n-型聚合物在有機光伏和光探測器領域的巨大應用潛力。
圖1 （a）受體PNDI-DTBT的化學結構和器件結構；（b）給體PBDB-T、J51、PCE10的化學結構。
展開 近30年來，聚（3,4-乙撐二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）導電聚合物常作為標準空穴傳輸材料應用于有機光電子器件領域。然而，隨著科技發展，PEDOT:PSS較弱導電性、較低功函數和較強酸性等缺陷限制了器件性能的進一步攀升。科研工作者常采用二次摻雜法調控PEDOT:PSS微結構（如：PEDOT醌式構型含量、導電網絡連通性、表面高電離電勢組分含量）或新型摻雜劑代替PSS功能化PEDOT導電聚合物，以克服上述缺陷。然而，分子量——這一決定PEDOT光電性能的重要參數卻未被關注。
圖1 本文PEDOT分子量與有機光伏器件性能關系示意圖
圖2 文獻PEDOT分子量與鈣鈦礦光伏器件性能對比圖
在本文中，作者通過調控乳化劑、催化劑用量，制備了五批不同PEDOT分子量的PEDOT:PSS導電聚合物P-UL、P-L、P-M、P-H、P-UH，將其作為空穴傳輸層組裝PBDB-T:ITIC有機光伏器件（如圖3所示）。研究發現，隨著分子量的增加，PEDOT摻雜度和薄膜相分離程度逐漸增加，導致空穴傳輸層由近乎絕緣（7.70×10-7 S cm-1）向弱電導性（1.14×10-4 S cm-1）及高電導性（7.72×10-4 S cm-1）轉變，器件效率因此實現~0到1.32%及9.91%的跳躍（如圖3所示）。隨著分子量進一步提高，空穴傳輸層電導率提升幅度變小，然而其粗糙度增加引起的載流子復合效應逐漸凸顯，使得載流子收集效率達到峰值，器件效率達到飽和10.36%。
展開 配體工程用于提高鈣鈦礦電池穩定性的幾種策略：器件后處理鈍化；鈣鈦礦材料維度工程；晶體交聯；界面修飾。
【小結與展望】
本文從薄膜制備，缺陷鈍化和穩定性的角度總結了配體在鈣鈦礦光伏領域中的重要作用。
1）薄膜制備。對于配體輔助的鈣鈦礦薄膜一步沉積，配體與前體溶液中鈣鈦礦骨架中的金屬離子相互作用，形成中間相，減緩鈣鈦礦結晶速率，產生均勻成核，最終形成高品質（通過控制配體從中間體絡合物中的釋放，形成良好的形態和高度結晶的鈣鈦礦膜。對于配體輔助的鈣鈦礦薄膜的兩步沉積，配體與鹵化鉛相互作用形成加合物，這有利于通過兩個方面形成鈣鈦礦：（i）增加活性位點朝向鹵化銨的數量; （ii）改變反應途徑并降低活化能。
雖然許多小組已經研究了配體輔助鈣鈦礦形成的可能機制，但應開發一些原位表征技術（例如，紅外，拉曼，XRD）以了解配體如何控制鈣鈦礦結晶。配位絡合物的晶體結構對于揭示配體在鈣鈦礦形成中的作用也很重要。同時，應進行綜合研究，揭示不同分子結構配體的作用，并將配體分類為各種功能。建議配體的這些性質與所有科學家共享，這可能有利于未來機器學習的材料優化。
配體工程也可用于制備高質量的無鉛鈣鈦礦。到目前為止，錫基鈣鈦礦，鉍基鈣鈦礦，雙鈣鈦礦的最高效率分別為9%， 1.64%，和2.5%，。我們推測配體輔助鈣鈦礦形成策略將顯著改善無鉛鈣鈦礦的性能，這也是鈣鈦礦光伏產品商業化之前的一個關鍵問題。同時，用于形成鈣鈦礦膜的一些配體也可用于合成高質量的鈣鈦礦單晶和量子點。
2）缺陷鈍化。大量實驗證明，設計功能配體以鈍化鈣鈦礦膜和界面陷阱中的缺陷可以有效地減少能量損失，從而改善PVSC的性能。為了指導有效配體的設計，應該深入了解不同鈣鈦礦材料中形成的類型和密度缺陷及其對電子傳輸性能和光伏性能的影響。
展開 【引言】
作為新一代光伏技術，有機太陽能電池（OSC）具有重量輕、制作工藝簡單、可通過廉價的印刷工藝制備大面積柔性器件等突出優點，已經成為一類具有重要應用前景的新型光伏技術。在過去的兩年里， OSC單層器件的能量轉換效率（PCE）已經超過14%，顯示出巨大的應用潛力。現階段，如何通過低成本、高產率的印刷工藝制備大面積器件已經成為有機光伏領域的研究熱點，也是實現OSC產業化的關鍵。然而，由于缺少可印刷的陰極界面層材料，使得印刷法制備大面積OSC器件的研究進展受到嚴重阻礙。
【成果簡介】
最近，中國科學院化學研究所侯劍輝研究員團隊發展了一種可印刷的有機小分子陰極界面層材料NDI-N。基于NDI-N，該團隊成功制備了1cm2的大面積器件，并獲得13.2%的PCE，這是目前報道的大面積器件的最高效率。研究成果于北京時間2018年11月16日以題為“A printable organic cathode interlayer enables over 13% efficiency for 1 cm2 organic solar cells”的研究論文發表在 Cell Press旗下的能源旗艦期刊 Joule 上。本文的第一作者為研究生康倩，所屬單位：中國科學院化學研究所，北卡羅來納州立大學。本文的通訊作者為許博為、 侯劍輝研究員。該研究不僅發展出一種新型的可印刷陰極界面層材料，還以此制備出目前效率最高的大面積器件，這對于有機光伏的產業化與實際應用具有重要意義。
在采用印刷工藝制備大面積器件的過程中，會不可避免產生薄膜厚度不均勻的問題。
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伴隨可持續發展意識深入人心
全世界光伏發電綜合利用經營規模快速擴大
在“碳達峰碳中和”愿景目標的引領下
光伏發電作為新能源產業中的佼佼者
在國內具有良好的發展前景
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內嵌元器件復合材料圓柱殼有限元應力分析
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