这个电池，凭什么登上Nature？

纳米人

2021-10-01

研究亮点：

1. 厘清了OPV中电荷复合形成三线态激子的地位。

2. 发展了一种杂化策略，可以有效抑制非辐射损耗路径，为有机太阳能电池效率提高到20%以上带来了新的希望。

自1958年第一个有机太阳能电池诞生以来，如何提高其光电转换效率是始终困扰科学家的关键难题。近十年来，虽然有机太阳能电池的效率已经从5%提高的18%左右，但是，和其他各种光伏电池技术中，有机光伏电池的效率低下依然是一个短板。

从基础研究的角度来讲，一个根本的原因就在于有机材料的电荷迁移率低，导致活性层厚度的限制，光吸收效率不足。2018年，南开大学陈永胜、万相见团队和国家纳米科学中心丁黎明团队合作，在Science报道了一种溶液制程的两端叠层有机光伏电池，以17.29%的认证效率刷新了有机太阳能电池的纪录！

然而，有机太阳能电池的效率仍然低于无机太阳能电池，后者的功率转换效率通常超过20%。这种差异的一个关键原因是有机太阳能电池相对于其光学带隙具有较低的开路电压，这是由于非辐射复合 所导致。为了使有机太阳能电池在效率方面与无机太阳能电池竞争，必须确定和抑制非辐射损耗路径。

有鉴于此，剑桥大学Richard H. Friend，Alexander J. Gillett, 加州大学圣巴巴拉分校Thuc-Quyen Nguyen以及蒙斯埃诺大学David Beljonne 等人对此进行了深入研究，他们发展了一种杂化策略，可以有效抑制非辐射损耗路径，为有机太阳能电池效率提高到20%以上提供了新的思路。

给整个研究领域带来希望，或许这就是为什么，这项研究能登上Nature的原因！

图1. 三线态形成路径以及有机太阳能电池材料

研究表明，在大多数使用非富勒烯受体 (NFA)  的有机太阳能电池中，开路条件下的大部分电荷复合是通过形成非发射 NFA 三重态激子进行的；在基准PM6:Y6共混物中，该比例达到 90%，将开路电压降低 60 mV。

图2. 三线态形成的谱学研究 

通过设计NFA三重态激子和自旋-三重态电荷转移激子之间的大量杂化来防止通过这种非辐射路径进行复合。建模表明，从自旋三线态电荷转移激子到分子三线态激子的反向电荷转移率可能会降低一个数量级，从而能够重新离解自旋三线态电荷转移激子。

图3. 杂化的作用

研究人员展示了 NFA 系统，其中三重态激子的形成受到抑制。因此，这项工作为具有20%或更高功率转换效率的有机太阳能电池提供了设计途径。

参考文献：

Gillett, A.J., Privitera, A., Dilmurat, R. et al. The role of charge recombination to triplet excitons in organic solar cells. Nature 597, 666–671 (2021). 

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03840-5