什么是有機光伏？

有機光伏（OPV）由于具有良好的品質而受到了廣泛的關注，例如溶液的可加工性，可調的電子特性，低溫制造以及廉價輕質的材料。盡管其他幾種光伏技術具有更高的效率，但由于低的材料毒性，成本和環境影響，OPV仍然具有優勢。迄今為止，它們已經超過了13％的認證效率，接近于低成本商用硅太陽能電池獲得的效率值。

什么是OPV？

OPV電池是一種太陽能電池，其中吸收層基于有機半導體（OSC）–通常是聚合物或小分子。為了使有機材料變得導電或半導電，需要高水平的共軛（交替單鍵和雙鍵）。有機分子的共軛導致與雙鍵相關的電子在整個共軛長度上變得離域化。這些電子具有比分子中其他電子更高的能量，并且等效于無機半導體材料中的價電子。

但是，在有機材料中，這些電子不占據價帶，而是所謂的“最高占據分子軌道”（HOMO）的一部分。就像在無機半導體中一樣，在較高能量下存在未占用的能級。在有機材料中，第一個稱為最低未占據分子軌道（LUMO）。在OSC的最高占據分子軌道（HOMO）與最低未占據分子軌道（LUMO）之間是能隙-通常被稱為材料的帶隙。隨著共軛的增加，帶隙將變得足夠小，以至于可見光可以將電子從HOMO激發到LUMO。

OPV如何工作？

與其他光伏技術一樣，OPV的目的是從陽光中發電。當光的能量等于或大于帶隙，從而導致電子從HOMO到LUMO的吸收和激發時，就可以實現這一點。被激發的電子將留下帶正電荷的空間，稱為“空穴”。由于空穴和電子的相反電荷，它們被吸引并形成電子-空穴對，也稱為“激子”。為了從太陽能電池中去除帶電粒子，必須將電子-空穴對分開，該過程稱為“激子離解”。

通常，在無機半導體中，電子與空穴之間的吸引力（稱為激子結合能Eb）足夠小，可以被室溫下的熱能（約26meV）克服。這是因為介電常數高–意味著電子和空穴之間存在明顯的屏蔽，從而減小了它們之間的吸引力。電子和空穴的容易分離使得激子易于解離。

相反，OSC具有較低的介電常數，Eb值在0.3-0.5eV范圍內，結果，OSC中僅靠熱能不能實現激子離解。為了克服這個問題，OPV內至少需要兩個不同的OSC，兩個不同的OSC之間的能級被抵消，其差異大于EbE，從而允許激子離解在它們之間的界面處發生。

根據激子的離解方式，OSC被分類為“施主”或“受主”（指電子是被材料捐贈還是被材料接受）。在大多數OPV中，施主將吸收最多的光，因此激子將在這種材料上產生。在與受體的界面處，激子將解離。電子將被捐贈給受體材料，該材料具有更高的HOMO和LUMO能級，而空穴仍保留在施主材料上。

圖2：OPV中典型的供體-受體帶隙偏移，用于克服激子結合能并促進解離。

控制OPV功能的步驟可以概括為：

1.吸收入射光，導致激子產生

具有足夠高能級的光將被OSC吸收并激發電子從HOMO到LUMO形成激子。如果被吸收的光的能量大于帶隙，則電子將移動到比LUMO高的能級并衰減。此過程稱為“熱化”，在此過程中能量作為熱量損失。熱化是光伏發電中的關鍵能量損失機制。

2.激子向供體-受體界面的擴散

激子一旦形成，就會通過OSC組分擴散到供體-受體界面，LUMO能級之間的偏移會驅動激子解離。這必須在一定時間內發生。如果不是這樣，被激發的電子將返回到空能狀態（稱為空穴），這一過程稱為“復合”。所花費的時間稱為“激子壽命”，通常表示為激子在這段時間內可以擴散的距離（大約10nm）。

3.激子在該界面上的解離

在界面處，電子將移動到受體材料，而空穴將保留在施主上。這些電荷載流子仍將被吸引，從而形成電荷轉移狀態。當一對之間的距離增加時，吸引力減小。最終，它們之間的結合能被熱能克服，并形成了電荷分離狀態。雖然電子-空穴對仍以電荷轉移狀態被吸引，但在兩種材料之間的界面上會發生復合。

4.載流子運輸

然后，電荷載流子將通過相關的界面層擴散到適當的電極（即通向陽極的孔和向陰極的電子）。

5.電荷載體的收集

在電極處，電荷載流子被收集起來并用于在電池的外部電路中工作-產生電流。

圖3：在光照下控制OPV功能的基本步驟的近似圖。

重組

在幾個階段，電子和空穴可以重新結合-在這一點上，用于初始激發的吸收能量被浪費了。

重組可以分類為：

i）萌芽-激子解離前最初產生的電子-空穴對重組

ii）非雙子體-自由電子和空穴可以重組，無論其來源如何

這兩個過程都可以是輻射的（釋放光子）或非輻射的（不釋放光子）。非輻射過程包括：i）俄歇復合，其中復合能量轉移到另一個自由電子，然后電子衰減。ii）陷阱輔助的重組，其中結構缺陷導致HOMO和LUMO之間的間隙形成能態。

OPV的發展

Tang在1986年提出了第一個雙組分OPV，但由于對雙層電池的依賴，其效率多年來一直很低。激子只能在供體和受體之間的界面解離，并且通常只能擴散大約10nm，然后衰減回到基態。相反，為了有效吸收光，通常要求有源層的總厚度大于100nm，這意味著雙層細胞太薄而不能正確吸收，或者太厚而不能有效地進行激子離解。

對此的解決方案是在1995年提出的，被稱為本體異質結（BHJ）電池。在這里，不是嚴格的兩層系統，而是在納米級上緊密混合了供體和受體材料-使界面以適當的擴散距離分散在整個活性層上，同時保持了吸收所需的厚度。

圖4：最初提出的雙層電池與現代本體異質結電池的比較。

從那時起，在形態控制，新供體的開發，新受體和技術專長方面進行了無數次改進，導致現代BHJOPV的認證效率超過了13％。

OPV由什么制成？

現代研究中使用的大多數OPV是溶液處理的BHJ電池，根據電極的方向，其結構可分為傳統的或倒置的（見圖5）。在研究中，使用平面雙層結仍然有少量工作，但此處將不討論。

圖5：常規和倒置OPV電池中使用的堆疊，其中各層未按比例繪制。

有源層兩側的空穴和電子傳輸界面層促進了電荷載流子的傳輸。傳統堆疊中典型的空穴傳輸層（HTL）是PEDOT：PSS，通常與ITO陽極配對，而典型的電子傳輸層（ETL）是鈣，通常與鋁陰極配對。這些層通過有利的能級定位來促進一種類型的電荷載體的運輸，同時阻止另一種載體的運輸。這樣，HTL有時被稱為電子阻擋層，反之亦然。

圖6：使用有機分子BCP作為ETL，在常規OPV的整個堆疊中電荷載流子傳輸的近似值。能級的平穩運動促進了運輸，這被稱為帶隙級聯。

多年以來，所使用的大多數受體都來自富勒烯（通常以PCBM的形式）。然而，近來非富勒烯受體（NFA），特別是基于小分子的那些向非富勒烯受體的移動顯著。與基于富勒烯的受體相比，它們產生了更高的效率和穩定性。與典型的富勒烯受體相反，后者在可見光條件下對光的吸收較差，NFA通常設計為吸收能力強，從而允許在活性層的供體和受體組分中均產生激子。

供體OSC的差異較大，但通常基于聚合物。高性能供體材料的示例包括PBDB-T和PTB7。施主通常根據帶隙進行分類，稱為寬帶隙（>1.8eV），例如P3HT；中帶隙（1.6-1.8eV），例如PCDTBT；或窄帶隙（<1.6eV），例如PTB7。

OPV的制造與表征

OPV表征的主要方法是電流密度-電壓曲線（“JV曲線”），從JV曲線中提取的主要參數是短路電流密度JSC。開路電壓VOC；填充因子FF；功率轉換效率PCE或，后者通常簡稱為“效率”。

其他流行的表征方法包括外部量子效率（EQE），穩定性測量以及對活性層吸收和光致發光的評估。

效率的根本限制

自從推出以來，OPV的效率一直在穩步提高，但仍然存在對其效率的基本限制。1961年，Shockley和Queisser發表了關于潛在效率的具有里程碑意義的討論，得出的結論是，對于一般的pn結太陽能電池，最大效率為30％，最佳帶隙為1.1eV。在此，由于進入裝置的光的能量不足而不可避免地損失了效率。被吸收的光的能量高于帶隙會由于電子的熱化，熵損失和輻射復合而導致能量損失。

1961年提出的模型擴展到OPV導致了一系列提出的最大效率，從15％22到超過20％23不等。此處的主要局限性是BHJ形態，吸收窄，電荷載流子遷移和遷移率降低以及高重組導致電壓損失。雖然某些輻射重組是細胞固有的，但可以避免非輻射重組，降低輻射重組是提高效率的關鍵。

OPV的未來

盡管大多數OPV文獻仍然集中在效率值上，但限制OPV商業化的主要問題是可伸縮性和長期穩定性。確實，一些文獻已經提出，如果適當地擴展，當前獲得的效率可以與其他技術競爭。目前，很少考慮材料的合成復雜性或合適的可擴展沉積技術，因此隨著綠色溶劑體系的發展，這些材料很可能成為未來的重點領域。

OPV一直在長期穩定性方面苦苦掙扎，這主要是由于水和氧氣的入侵造成的。可以在以前的Ossila博客文章中找到有關影響穩定性的因素的深入討論。更好地了解NFA可能會發現該領域的改進，因為這組材料已顯示出長期穩定性方面的重大希望。

圖7：ITIC，一種流行的非富勒烯受體，這對OPV效率和穩定性的未來發展具有重大前景。

NFA也可能是進一步提高效率的關鍵。一些研究表明，與傳統的富勒烯受體相比，NFA中的非輻射重組損失要少得多，一些受體也顯示出能夠以非常小的LUMO偏移進行工作的能力。這些系統中非輻射重組緩解和激子離解的確切機制仍在討論中，但隨著OPV研究的進展，可能仍將是重要的研究領域。

熱點

OPV特別令人關注的領域包括：

非富勒烯受體

這些是基于除富勒烯衍生物以外的材料的受體，并且通常基于受體-供體-受體（ADA）結構。最有效的NFA是基于indacenodithiophene核心的NFA，例如ITIC和IT-2F。

單線態裂變

在單線態裂變中，高能光子的吸收產生單線態激子，然后將其轉換為兩個三重態激子，從而從單個光子中產生兩個激子。從理論上講，這可以克服Shockley-Queisser對效率的限制。

三元細胞

在三元OPV中，在有源層中使用三個OSC而不是兩個，通常是為了提高電池的吸收率以提高效率。現在，三元OPV的效率已超過14％32，更多詳細信息可以在以前的Ossila博客文章中找到。

分子設計

多數最高效率的OPV是通過對供體-受體對進行特殊調節而實現的，這些對經過化學修飾可提供高度互補的能級。隨著OPV的發展，通過分子設計進行的能級調節可能會成為重點關注的領域。

可擴展的沉積技術

近來，人們集中在使用比旋涂更可擴展的技術來制造OPV，例如噴涂，刮刀涂層、狹縫模頭涂層和噴墨印刷。隨著OPV走向商業化，這可能變得越來越重要。