光伏材料與器件的案例
蘇州大學崔超華教授系統評述：有機光伏材料的分子設計與器件性能研究
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 ：n-型晶體管材料在有機光伏和光探測器件中的成功應用
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 分子量，決定PEDOT電導率及有機光伏器件性能？
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?？蒲泄ぷ髡叱２捎枚螕诫s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 配體工程在鈣鈦礦光伏器件中的重要作用
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 
中科院侯劍輝 Joule：可印刷陰極界面層在1cm2有機光伏器件中實現超過13%的能量轉換效率
【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?，F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?；贜DI-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。
展開 ：二維材料儲能器件小型化:從單個器件到智能集成系統
例如，具有大比表面積和良好導電性的2D材料，如硅烯、石墨烯、鍺烯、硼苯、碲烯和磷烯，可能是高性能MESDs的潛在候選材料。然而，由于它們在環境條件下化學降解時表面固有的不穩定性，這些2D材料需要表面功能化或涂層。另一方面，新興的具有堆疊π共軛2D層、可控孔徑和高比表面積的導電MOFs也是能量存儲應用中吸引人的電極材料。更重要的是，高質量2D材料的可伸縮性和可加工性不僅對于基礎研究至關重要，對于真正的工業應用也至關重要，這些應用需要先進的微加工技術，包括噴墨印刷、3D印刷和絲網印刷等。
為了滿足智能電子設備的需求，智能響應MESDs已經成為功能性電源。然而，由于小型化的結構和復雜的制備過程，只有有限的工作致力于開發具有智能功能的MESDs，如自愈合、可壓縮性、電致變色和拉伸性。在這方面，重要的是使用與其工作條件和器件結構兼容的功能電解質或電極。智能電解質的設計可以進一步考慮各種多響應聚合物，如光敏、水溶性、pH敏感、熱響應、電響應和磁響應聚合物。此外，2D活性材料的表面功能化將光線照射到智能電極中，這是因為可以靈活調節電導率、表面積以及電解質中的離子傳輸。因此，智能材料的探索對于MESDs微制造技術的發展同樣重要。
作為微電源和儲能微器件，基于2D材料的MESDs最終旨在為即用型耗能微電子器件提供動力。由于智能集成系統的復雜制造過程，迄今為止只有很少的工作得到證實。因此，涉及能量收集、能量存儲和能量消耗單元的創新的自供電集成系統代表了極具吸引力的研究方向。此外，具有可折疊、可清洗和可生物降解特性的智能集成系統的設計可以為未來智能、獨立和連續運行日常電子產品鋪平道路。最后，這些多功能一體自供電系統有望在未來造福于醫療保健應用。
展開 ：二維材料儲能器件小型化:從單個器件到智能集成系統
例如，具有大比表面積和良好導電性的2D材料，如硅烯、石墨烯、鍺烯、硼苯、碲烯和磷烯，可能是高性能MESDs的潛在候選材料。然而，由于它們在環境條件下化學降解時表面固有的不穩定性，這些2D材料需要表面功能化或涂層。另一方面，新興的具有堆疊π共軛2D層、可控孔徑和高比表面積的導電MOFs也是能量存儲應用中吸引人的電極材料。更重要的是，高質量2D材料的可伸縮性和可加工性不僅對于基礎研究至關重要，對于真正的工業應用也至關重要，這些應用需要先進的微加工技術，包括噴墨印刷、3D印刷和絲網印刷等。
為了滿足智能電子設備的需求，智能響應MESDs已經成為功能性電源。然而，由于小型化的結構和復雜的制備過程，只有有限的工作致力于開發具有智能功能的MESDs，如自愈合、可壓縮性、電致變色和拉伸性。在這方面，重要的是使用與其工作條件和器件結構兼容的功能電解質或電極。智能電解質的設計可以進一步考慮各種多響應聚合物，如光敏、水溶性、pH敏感、熱響應、電響應和磁響應聚合物。此外，2D活性材料的表面功能化將光線照射到智能電極中，這是因為可以靈活調節電導率、表面積以及電解質中的離子傳輸。因此，智能材料的探索對于MESDs微制造技術的發展同樣重要。
作為微電源和儲能微器件，基于2D材料的MESDs最終旨在為即用型耗能微電子器件提供動力。由于智能集成系統的復雜制造過程，迄今為止只有很少的工作得到證實。因此，涉及能量收集、能量存儲和能量消耗單元的創新的自供電集成系統代表了極具吸引力的研究方向。此外，具有可折疊、可清洗和可生物降解特性的智能集成系統的設計可以為未來智能、獨立和連續運行日常電子產品鋪平道路。最后，這些多功能一體自供電系統有望在未來造福于醫療保健應用。
展開 光伏電池不可或缺的關鍵材料-EVA的國產化情況
你是否能想到
一滴油竟能“變成”光伏料？
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
“十四五”期間
中國石化規劃建設7000座分布式光伏發電站點
推進綠色發展
EVA光伏料
作為光伏電池組件不可或缺的關鍵材料
越來越受到市場的追捧
EVA光伏料究竟是什么？
到底在光伏發電中起著怎樣的作用？
它又是如何從一滴原油演變來的？
光伏膠膜為何青睞EVA？
由于單體太陽能電池不能直接做電源使用，必須將單體太陽能電池串、并聯連接，并進行嚴密封裝，形成“光伏組件”，才能實現太陽能向電能的轉化。
形象地說，“光伏組件”就像是一塊“3+2”餅干。太陽能電池片是核心，上有鋼化玻璃層作保護，下有光伏背板層作支撐。而電池片與玻璃層之間、電池片與背板層之間，則為光伏膠膜?！?光伏膠膜，作為太陽能電池片的封裝材料，在中間主要起到對電池片的保護作用。直接決定了光伏組件的質量及壽命。
當前，光伏膠膜的封裝材料種類包括乙烯—醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、共聚烯烴彈性體（POE）等。其中，EVA樹脂因性能優良、價格便宜，成為最主要的膠膜材料。
展開 石墨烯和其他2D材料在太陽能光伏中的應用
WS2/MoS2異質結太陽能電池
圖18. roll‐to‐roll制備石墨烯薄膜
【總結】
作者描述了石墨烯、石墨烯基材料和其他太陽能光伏2D材料的最新進展，包括硅基太陽能電池、有機和鈣鈦礦太陽能電池。在回顧的所有光伏技術中，石墨烯由于其高透明度和導電性而被用作透明導電電極?？梢钥闯觯S著層數的增加，石墨烯層的導電性以降低透明度為代價得到改善。因此，需要在兩者之間進行適當的權衡，以實現最佳性能。對于硅光伏電池，石墨烯的作用是雙重的: i )它充當透明導電電極，和ii )充當有源層，用于通過與硅的肖特基結分離光生載流子。石墨烯的摻雜對于降低其薄層電阻和調整硅太陽能電池的內建電勢至關重要。石墨烯的雙極性質允許實現有機和鈣鈦礦太陽能電池的陽極和/或陰極以及ETL和/或HTL。此外，石墨烯極有可能作為有機太陽能電池中的三元材料和鈣鈦礦太陽能電池的穩定材料發揮關鍵作用。過去幾年中，其他2D材料如MoS2, MoSe2, WS2, and WSe2在光伏器件中的應用也得到研究?；谶@些材料在太陽光譜的可見至近紅外部分的高吸收系數，研究人員已經探索了將這些材料用于太陽能電池的優點。由于TMDCs的功函數和帶隙可以調節，這些材料也可以用作有機和鈣鈦礦太陽能電池的ETL和HTL?；?D/2D異質結構的太陽能電池具有高吸收系數、高輻射效率和清晰的清潔界面，可導致活性材料的每克最高瓦特利用率。石墨烯還被認為具有熱載流子太陽能電池和生物傳感器儲能集成太陽能電池芯片的應用潛力。將大面積卷對卷加工的石墨烯應用于當前的太陽能光伏平臺是石墨烯研究的重要方向之一。
展開 中科院寧波材料所Chemical Society Reviews：有機和雜化電阻開關材料和器件
在過去的幾十年里，柔性有機電子器件取得了巨大的成就，從晶體管和光伏器件到發光二極管。像OLED、PLED和QLID電視這樣的帶有曲面屏幕的商業產品現在也可以在市場上買到。在這一成功過程中科研人員收集到的大量經驗，包括高性能電活性材料的合理設計和合成及其潛在的電子過程，可以用于柔性電阻開關存儲器的開發。特別是，OPV和OLED都致力于電子給體-受體(D-A)系統中自由電荷載流子的外部場誘導操縱(分離、遷移和復合)?；谶@個想法，科研人員在早期展示了具有電荷轉移機制的有機和聚合物電阻開關存儲器，其中電場誘導的電子和空穴分離可以大大提高有機層內的電荷載流子濃度，從而提高存儲器件的整體電導。然而，由于缺乏直接的物理證據來證實電荷轉移狀態可以持續數小時、數天甚至數年(OPV器件上的瞬態光譜測量通常顯示CT復合體的壽命約μs )，人們越來越懷疑先前觀察到的有機D-A系統中的電阻切換可能是人工影響的結果，例如化學活性金屬電極的參與。因此，人們開始關注氧化還原反應、離子遷移等其他已建立的機制。這可以通過原位熒光、XPS和高分辨率TEM測量直接可視化。得益于對這些開關機制的深入理解，以及通過合理的分子設計和更清晰的結構-性能關系發現了新型功能材料，有機電阻開關存儲器在小分子、聚合物、高分子生物材料和碳納米材料的多種選擇方面取得了快速進展。
與無機存儲器件相比，有機存儲器件的穩定性容易受到環境濕度和氧氣的影響。持續的電應力也會使有機器件快速疲勞。在實際使用之前，它們還有很長的路要走。有機和無機物種的雜化可以解決這個問題，其中金屬-有機骨架和鈣鈦礦材料已經被證實能夠在機械變形下表現出穩定的電阻切換特性。將這些二維雜化材料剝離到單層或幾層的單晶可以進一步削弱樣品厚度對應力傳遞的影響，從而顯著提高其機械柔性和變形能力。
展開 Sci.綜述: 富勒烯-二維納米材料復合材料及其在催化、器件中的應用
4．富勒烯/過渡金屬二硫化物復合材料
圖15 C60-MoS2復合材料制備及其電子性能
圖16 C60-MoS2復合材料的光催化機理
作為另一類新型無機2D半導體納米材料，過渡金屬二硫化物(TMDs)由于其有趣的電子、光學和機械性質而引起了廣泛的關注，二硫化鉬(MoS2)是其中最具代表性的材料。單層MoS2具有約1.8eV的直接帶隙以及較高的面內載流子遷移率，在光/電催化、光伏和光電器件領域具有廣泛應用。盡管研究人員對MoS2在光催化制氫領域中的作用進行了廣泛的研究，但即使是單層MoS2，其光催化活性也相對較低，因為只有其邊緣具有高催化活性，而其基面是無活性的。與石墨烯和g-C3N4類似，構筑MoS2與包括富勒烯在內的其他功能材料的復合材料可有效提高MoS2的光催化制氫活性。
5．富勒烯/其他二維材料的復合材料
2D h-BN是一種sp2雜化的寬帶隙半導體(5-6eV)，其具有類似于石墨烯的結構。作為間接帶隙半導體，h-BN具有獨特的電子特性、較低的介電常數、較高的導熱率和化學惰性。雖然h-BN是絕緣體，但其電子特性可以通過摻雜、取代、官能化和復合來容易地調控。鑒于C60具有較窄的帶隙，將h-BN與C60復合是調節h-BN的電子性質的有效策略。
展開 
碳化硅材料技術對器件可靠性的影響
圖3 碳化硅外延片缺陷與襯底片缺陷的關聯性
TSD和TED基本不影響最終的碳化硅器件的性能，而BPD會引發器件性能的退化，因此人們對BPD的關注度比較高。堆垛層錯，胡蘿卜缺陷，三角形缺陷，掉落物等缺陷，屬于殺手級缺陷，一旦出現在器件上，這個器件就會測試失敗，導致良率降低。雙極型器件，例如三極管、IGBT，對BPD的敏感程度更高。
表1 外延片缺陷對最終器件的影響
07碳化硅材料面臨的兩個挑戰
碳化硅材料推廣面臨的重要挑戰之一是價格過高，襯底價格遠高于硅和藍寶石襯底。目前碳化硅襯底的主流直徑只有4~6英寸，需要更成熟的生長技術來擴大尺寸，以降低價格。
另一方面，碳化硅位錯密度量級處于102-104，遠高于硅、砷化鎵等材料。此外，碳化硅還存在較大的應力，會導致面型參數出現問題。改善碳化硅襯底質量，是提高外延材料質量、器件制備的良率、器件可靠性和壽命的重要途徑。
展開 李永舫院士團隊：非等量D-A共聚策略合成高效聚合物給體光伏材料
中科院化學所李永舫院士課題組首次提出了非等量D-A共聚策略并合成了應用于有機/聚合物太陽電池的非等量D-A共聚物給體光伏材料?；谠擃?em>材料的二元器件的開路電壓、短路電流與填充因子均得到了提升，并取得了17.71%的高能量轉換效率。該研究更深層次地探討了基于D-A共聚理論的機理，并對應用于高效有機光伏材料的D-A共聚物給體光伏材料提供了新的設計思路，對指導設計高性能D-A共聚物有機半導體材料具有重要意義。
給體單元-受體單元（D-A）共聚策略已被廣泛應用于構筑高性能有機半導體材料，用于有機發光二極管、聚合物太陽電池、有機場效應晶體管等。基于D-A共聚策略的分子結構設計的不斷優化，科研人員合成了一系列高效聚合物給體光伏材料，有力地推動了有機/聚合物太陽電池能量轉換效率的快速提升。然而，從初期的發展新型給體/受體單元，到現階段的精細調控，如側鏈工程、官能團取代等，D-A共聚物的設計優化一直處于針對單體結構進行修飾的層面。此外，盡管現如今近乎所有高效的聚合物材料都是基于D-A共聚結構，但這些D-A共聚物（包括新興的三元無規共聚物）均是由等量的給體單元和受體單元交替共聚所構成。針對聚合物長鏈組態的調控優化以及D-A共聚策略更深層機制的研究目前仍然較少。
近日，中科院化學所李永舫院士課題組首次提出了非等量D-A共聚策略。通過在聚合物長鏈中嵌入更多比例的D-單元，他們合成出了基于高效共聚物PM6的非等量D-A共聚物PM6-Dn（n=1,2,3）(圖1)。
圖1. 非等量D-A共聚物PM6-Dn（n=1,2,3）的合成方法。
展開 干貨 | 碳化硅材料技術對器件可靠性的影響
表1 外延片缺陷對最終器件的影響
07
碳化硅材料面臨的兩個挑戰
碳化硅材料推廣面臨的重要挑戰之一是價格過高，襯底價格遠高于硅和藍寶石襯底。目前碳化硅襯底的主流直徑只有4~6英寸，需要更成熟的生長技術來擴大尺寸，以降低價格。
另一方面，碳化硅位錯密度量級處于102-104，遠高于硅、砷化鎵等材料。此外，碳化硅還存在較大的應力，會導致面型參數出現問題。改善碳化硅襯底質量，是提高外延材料質量、器件制備的良率、器件可靠性和壽命的重要途徑。
來源：基本半導體
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表1 外延片缺陷對最終器件的影響
07
碳化硅材料面臨的兩個挑戰
碳化硅材料推廣面臨的重要挑戰之一是價格過高，襯底價格遠高于硅和藍寶石襯底。目前碳化硅襯底的主流直徑只有4~6英寸，需要更成熟的生長技術來擴大尺寸，以降低價格。
另一方面，碳化硅位錯密度量級處于102-104，遠高于硅、砷化鎵等材料。此外，碳化硅還存在較大的應力，會導致面型參數出現問題。改善碳化硅襯底質量，是提高外延材料質量、器件制備的良率、器件可靠性和壽命的重要途徑。
來源：基本半導體
