鉅大LARGE | 點擊量：2566次 | 2021年12月16日
哪些是有機光伏電池？OPV的熱點應用
什么是有機光伏？
有機光伏（OPV）由于具有良好的品質(zhì)而受到了廣泛的關(guān)注，例如溶液的可加工性，可調(diào)的電子特性，低溫制造以及廉價輕質(zhì)的材料。盡管其他幾種光伏技術(shù)具有更高的效率，但由于低的材料毒性，成本和環(huán)境影響，OPV仍然具有優(yōu)勢。迄今為止，它們已經(jīng)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(guān)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(jù)價帶，而是所謂的“最高占據(jù)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(jù)分子軌道（LUMO）。在OSC的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）與最低未占據(jù)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(fā)到LUMO。
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充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
OPV如何工作？
與其他光伏技術(shù)一樣，OPV的目的是從陽光中發(fā)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(fā)時，就可以實現(xiàn)這一點。被激發(fā)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(jié)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(shù)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(shù)，Eb值在0.3-0.5eV范圍內(nèi)，結(jié)果，OSC中僅靠熱能不能實現(xiàn)激子離解。為了克服這個問題，OPV內(nèi)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(fā)生。
根據(jù)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(shù)OPV中，施主將吸收最多的光，因此激子將在這種材料上產(chǎn)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(jié)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(chǎn)生
具有足夠高能級的光將被OSC吸收并激發(fā)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(fā)電中的關(guān)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(qū)動激子解離。這必須在一定時間內(nèi)發(fā)生。如果不是這樣，被激發(fā)的電子將返回到空能狀態(tài)（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(nèi)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(zhuǎn)移狀態(tài)。當一對之間的距離增加時，吸引力減小。最終，它們之間的結(jié)合能被熱能克服，并形成了電荷分離狀態(tài)。雖然電子-空穴對仍以電荷轉(zhuǎn)移狀態(tài)被吸引，但在兩種材料之間的界面上會發(fā)生復合。
4.載流子運輸
然后，電荷載流子將通過相關(guān)的界面層擴散到適當?shù)碾姌O（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(chǎn)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(jié)合-在這一點上，用于初始激發(fā)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(chǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)缺陷導致HOMO和LUMO之間的間隙形成能態(tài)。
OPV的發(fā)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(tài)。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(zhì)結(jié)（BHJ）電池。在這里，不是嚴格的兩層系統(tǒng)，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?shù)臄U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(xiàn)代本體異質(zhì)結(jié)電池的比較。
從那時起，在形態(tài)控制，新供體的開發(fā)，新受體和技術(shù)專長方面進行了無數(shù)次改進，導致現(xiàn)代BHJOPV的認證效率超過了13％。
OPV由什么制成？
現(xiàn)代研究中使用的大多數(shù)OPV是溶液處理的BHJ電池，根據(jù)電極的方向，其結(jié)構(gòu)可分為傳統(tǒng)的或倒置的（見圖5）。在研究中，使用平面雙層結(jié)仍然有少量工作，但此處將不討論。
圖5：常規(guī)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(cè)的空穴和電子傳輸界面層促進了電荷載流子的傳輸。傳統(tǒng)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(guī)OPV的整個堆疊中電荷載流子傳輸?shù)慕浦?。能級的平穩(wěn)運動促進了運輸，這被稱為帶隙級聯(lián)。
多年以來，所使用的大多數(shù)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(chǎn)生了更高的效率和穩(wěn)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(shè)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(chǎn)生激子。
供體OSC的差異較大，但通?；诰酆衔?。高性能供體材料的示例包括PBDB-T和PTB7。施主通常根據(jù)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(shù)是短路電流密度JSC。開路電壓VOC；填充因子FF；功率轉(zhuǎn)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(wěn)定性測量以及對活性層吸收和光致發(fā)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(wěn)步提高，但仍然存在對其效率的基本限制。1961年，Shockley和Queisser發(fā)表了關(guān)于潛在效率的具有里程碑意義的討論，得出的結(jié)論是，對于一般的pn結(jié)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(tài)，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(guān)鍵。
OPV的未來
盡管大多數(shù)OPV文獻仍然集中在效率值上，但限制OPV商業(yè)化的主要問題是可伸縮性和長期穩(wěn)定性。確實，一些文獻已經(jīng)提出，如果適當?shù)財U展，當前獲得的效率可以與其他技術(shù)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(shù)，因此隨著綠色溶劑體系的發(fā)展，這些材料很可能成為未來的重點領(lǐng)域。
OPV一直在長期穩(wěn)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(guān)影響穩(wěn)定性的因素的深入討論。更好地了解NFA可能會發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域的改進，因為這組材料已顯示出長期穩(wěn)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(wěn)定性的未來發(fā)展具有重大前景。
NFA也可能是進一步提高效率的關(guān)鍵。一些研究表明，與傳統(tǒng)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(tǒng)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(lǐng)域。
熱點
OPV特別令人關(guān)注的領(lǐng)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?；谑荏w-供體-受體（ADA）結(jié)構(gòu)。最有效的NFA是基于indacenodithiophene核心的NFA，例如ITIC和IT-2F。
單線態(tài)裂變
在單線態(tài)裂變中，高能光子的吸收產(chǎn)生單線態(tài)激子，然后將其轉(zhuǎn)換為兩個三重態(tài)激子，從而從單個光子中產(chǎn)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?，F(xiàn)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(shè)計
多數(shù)最高效率的OPV是通過對供體-受體對進行特殊調(diào)節(jié)而實現(xiàn)的，這些對經(jīng)過化學修飾可提供高度互補的能級。隨著OPV的發(fā)展，通過分子設(shè)計進行的能級調(diào)節(jié)可能會成為重點關(guān)注的領(lǐng)域。
可擴展的沉積技術(shù)
近來，人們集中在使用比旋涂更可擴展的技術(shù)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(yè)化，這可能變得越來越重要。
