哪些是有机光伏电池？OPV的热点应用

什么是有机光伏？

有机光伏（OPV）由于具有良好的品质而受到了广泛的关注，例如溶液的可加工性，可调的电子特性，低温制造以及廉价轻质的材料。尽管其他几种光伏技术具有更高的效率，但由于低的材料毒性，成本和环境影响，OPV仍然具有优势。迄今为止，它们已经超过了13％的认证效率，接近于低成本商用硅太阳能电池获得的效率值。

什么是OPV？

OPV电池是一种太阳能电池，其中吸收层基于有机半导体（OSC）–通常是聚合物或小分子。为了使有机材料变得导电或半导电，需要高水平的共轭（交替单键和双键）。有机分子的共轭导致与双键相关的电子在整个共轭长度上变得离域化。这些电子具有比分子中其他电子更高的能量，并且等效于无机半导体材料中的价电子。

但是，在有机材料中，这些电子不占据价带，而是所谓的“最高占据分子轨道”（HOMO）的一部分。就像在无机半导体中一样，在较高能量下存在未占用的能级。在有机材料中，第一个称为最低未占据分子轨道（LUMO）。在OSC的最高占据分子轨道（HOMO）与最低未占据分子轨道（LUMO）之间是能隙-通常被称为材料的带隙。随着共轭的增加，带隙将变得足够小，以至于可见光可以将电子从HOMO激发到LUMO。

OPV如何工作？

与其他光伏技术一样，OPV的目的是从阳光中发电。当光的能量等于或大于带隙，从而导致电子从HOMO到LUMO的吸收和激发时，就可以实现这一点。被激发的电子将留下带正电荷的空间，称为“空穴”。由于空穴和电子的相反电荷，它们被吸引并形成电子-空穴对，也称为“激子”。为了从太阳能电池中去除带电粒子，必须将电子-空穴对分开，该过程称为“激子离解”。

通常，在无机半导体中，电子与空穴之间的吸引力（称为激子结合能Eb）足够小，可以被室温下的热能（约26meV）克服。这是因为介电常数高–意味着电子和空穴之间存在明显的屏蔽，从而减小了它们之间的吸引力。电子和空穴的容易分离使得激子易于解离。

相反，OSC具有较低的介电常数，Eb值在0.3-0.5eV范围内，结果，OSC中仅靠热能不能实现激子离解。为了克服这个问题，OPV内至少需要两个不同的OSC，两个不同的OSC之间的能级被抵消，其差异大于EbE，从而允许激子离解在它们之间的界面处发生。

根据激子的离解方式，OSC被分类为“施主”或“受主”（指电子是被材料捐赠还是被材料接受）。在大多数OPV中，施主将吸收最多的光，因此激子将在这种材料上产生。在与受体的界面处，激子将解离。电子将被捐赠给受体材料，该材料具有更高的HOMO和LUMO能级，而空穴仍保留在施主材料上。

图2：OPV中典型的供体-受体带隙偏移，用于克服激子结合能并促进解离。

控制OPV功能的步骤可以概括为：

1.吸收入射光，导致激子产生

具有足够高能级的光将被OSC吸收并激发电子从HOMO到LUMO形成激子。如果被吸收的光的能量大于带隙，则电子将移动到比LUMO高的能级并衰减。此过程称为“热化”，在此过程中能量作为热量损失。热化是光伏发电中的关键能量损失机制。

2.激子向供体-受体界面的扩散

激子一旦形成，就会通过OSC组分扩散到供体-受体界面，LUMO能级之间的偏移会驱动激子解离。这必须在一定时间内发生。如果不是这样，被激发的电子将返回到空能状态（称为空穴），这一过程称为“复合”。所花费的时间称为“激子寿命”，通常表示为激子在这段时间内可以扩散的距离（大约10nm）。

3.激子在该界面上的解离

在界面处，电子将移动到受体材料，而空穴将保留在施主上。这些电荷载流子仍将被吸引，从而形成电荷转移状态。当一对之间的距离增加时，吸引力减小。最终，它们之间的结合能被热能克服，并形成了电荷分离状态。虽然电子-空穴对仍以电荷转移状态被吸引，但在两种材料之间的界面上会发生复合。

4.载流子运输

然后，电荷载流子将通过相关的界面层扩散到适当的电极（即通向阳极的孔和向阴极的电子）。

5.电荷载体的收集

在电极处，电荷载流子被收集起来并用于在电池的外部电路中工作-产生电流。

图3：在光照下控制OPV功能的基本步骤的近似图。

重组

在几个阶段，电子和空穴可以重新结合-在这一点上，用于初始激发的吸收能量被浪费了。

重组可以分类为：

i）萌芽-激子解离前最初产生的电子-空穴对重组

ii）非双子体-自由电子和空穴可以重组，无论其来源如何

这两个过程都可以是辐射的（释放光子）或非辐射的（不释放光子）。非辐射过程包括：i）俄歇复合，其中复合能量转移到另一个自由电子，然后电子衰减。ii）陷阱辅助的重组，其中结构缺陷导致HOMO和LUMO之间的间隙形成能态。

OPV的发展

Tang在1986年提出了第一个双组分OPV，但由于对双层电池的依赖，其效率多年来一直很低。激子只能在供体和受体之间的界面解离，并且通常只能扩散大约10nm，然后衰减回到基态。相反，为了有效吸收光，通常要求有源层的总厚度大于100nm，这意味着双层细胞太薄而不能正确吸收，或者太厚而不能有效地进行激子离解。

对此的解决方案是在1995年提出的，被称为本体异质结（BHJ）电池。在这里，不是严格的两层系统，而是在纳米级上紧密混合了供体和受体材料-使界面以适当的扩散距离分散在整个活性层上，同时保持了吸收所需的厚度。

图4：最初提出的双层电池与现代本体异质结电池的比较。

从那时起，在形态控制，新供体的开发，新受体和技术专长方面进行了无数次改进，导致现代BHJOPV的认证效率超过了13％。

OPV由什么制成？

现代研究中使用的大多数OPV是溶液处理的BHJ电池，根据电极的方向，其结构可分为传统的或倒置的（见图5）。在研究中，使用平面双层结仍然有少量工作，但此处将不讨论。

图5：常规和倒置OPV电池中使用的堆叠，其中各层未按比例绘制。

有源层两侧的空穴和电子传输界面层促进了电荷载流子的传输。传统堆叠中典型的空穴传输层（HTL）是PEDOT：PSS，通常与ITO阳极配对，而典型的电子传输层（ETL）是钙，通常与铝阴极配对。这些层通过有利的能级定位来促进一种类型的电荷载体的运输，同时阻止另一种载体的运输。这样，HTL有时被称为电子阻挡层，反之亦然。

图6：使用有机分子BCP作为ETL，在常规OPV的整个堆叠中电荷载流子传输的近似值。能级的平稳运动促进了运输，这被称为带隙级联。

多年以来，所使用的大多数受体都来自富勒烯（通常以PCBM的形式）。然而，近来非富勒烯受体（NFA），特别是基于小分子的那些向非富勒烯受体的移动显着。与基于富勒烯的受体相比，它们产生了更高的效率和稳定性。与典型的富勒烯受体相反，后者在可见光条件下对光的吸收较差，NFA通常设计为吸收能力强，从而允许在活性层的供体和受体组分中均产生激子。

供体OSC的差异较大，但通常基于聚合物。高性能供体材料的示例包括PBDB-T和PTB7。施主通常根据带隙进行分类，称为宽带隙（>1.8eV），例如P3HT；中带隙（1.6-1.8eV），例如PCDTBT；或窄带隙（<1.6eV），例如PTB7。

OPV的制造与表征

OPV表征的主要方法是电流密度-电压曲线（“JV曲线”），从JV曲线中提取的主要参数是短路电流密度JSC。开路电压VOC；填充因子FF；功率转换效率PCE或，后者通常简称为“效率”。

其他流行的表征方法包括外部量子效率（EQE），稳定性测量以及对活性层吸收和光致发光的评估。

效率的根本限制

自从推出以来，OPV的效率一直在稳步提高，但仍然存在对其效率的基本限制。1961年，Shockley和Queisser发表了关于潜在效率的具有里程碑意义的讨论，得出的结论是，对于一般的pn结太阳能电池，最大效率为30％，最佳带隙为1.1eV。在此，由于进入装置的光的能量不足而不可避免地损失了效率。被吸收的光的能量高于带隙会由于电子的热化，熵损失和辐射复合而导致能量损失。

1961年提出的模型扩展到OPV导致了一系列提出的最大效率，从15％22到超过20％23不等。此处的主要局限性是BHJ形态，吸收窄，电荷载流子迁移和迁移率降低以及高重组导致电压损失。虽然某些辐射重组是细胞固有的，但可以避免非辐射重组，降低辐射重组是提高效率的关键。

OPV的未来

尽管大多数OPV文献仍然集中在效率值上，但限制OPV商业化的主要问题是可伸缩性和长期稳定性。确实，一些文献已经提出，如果适当地扩展，当前获得的效率可以与其他技术竞争。目前，很少考虑材料的合成复杂性或合适的可扩展沉积技术，因此随着绿色溶剂体系的发展，这些材料很可能成为未来的重点领域。

OPV一直在长期稳定性方面苦苦挣扎，这主要是由于水和氧气的入侵造成的。可以在以前的Ossila博客文章中找到有关影响稳定性的因素的深入讨论。更好地了解NFA可能会发现该领域的改进，因为这组材料已显示出长期稳定性方面的重大希望。

图7：ITIC，一种流行的非富勒烯受体，这对OPV效率和稳定性的未来发展具有重大前景。

NFA也可能是进一步提高效率的关键。一些研究表明，与传统的富勒烯受体相比，NFA中的非辐射重组损失要少得多，一些受体也显示出能够以非常小的LUMO偏移进行工作的能力。这些系统中非辐射重组缓解和激子离解的确切机制仍在讨论中，但随着OPV研究的进展，可能仍将是重要的研究领域。

热点

OPV特别令人关注的领域包括：

非富勒烯受体

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

单线态裂变

在单线态裂变中，高能光子的吸收产生单线态激子，然后将其转换为两个三重态激子，从而从单个光子中产生两个激子。从理论上讲，这可以克服Shockley-Queisser对效率的限制。

三元细胞

在三元OPV中，在有源层中使用三个OSC而不是两个，通常是为了提高电池的吸收率以提高效率。现在，三元OPV的效率已超过14％32，更多详细信息可以在以前的Ossila博客文章中找到。

分子设计

多数最高效率的OPV是通过对供体-受体对进行特殊调节而实现的，这些对经过化学修饰可提供高度互补的能级。随着OPV的发展，通过分子设计进行的能级调节可能会成为重点关注的领域。

可扩展的沉积技术

近来，人们集中在使用比旋涂更可扩展的技术来制造OPV，例如喷涂，刮刀涂层、狭缝模头涂层和喷墨印刷。随着OPV走向商业化，这可能变得越来越重要。