浙江大学陈红征教授、左立见研究员AFM综述：有机光伏中的非辐射电荷复合多尺度形貌机制研究进展
学术
2024-10-22 12:18
江苏
有机光伏器件（OPV）具有质轻、柔性、多彩、半透明以及易于通过溶液加工等优势，这使得OPV可以与多种应用场景集成，广泛用于可穿戴设备、建筑和车辆中。更令人振奋的是，得益于器件结构的创新和新型材料的开发，OPV的功率转换效率现已突破20%，有望成为传统硅基太阳能电池的有力竞争者。然而，由非辐射电荷复合（NRCR）引起的严重开路电压（Voc）损失制约着OPV效率的进一步提升。近日，浙江大学陈红征教授和左立见研究员团队在《Advanced Functional Materials》上发表了题为“Understanding the Nonradiative Charge Recombination in Organic Photovoltaics: From Molecule to Device”的综述文章。该文第一作者为博士生孔一博，通讯作者为左立见研究员。该综述全面总结了从分子层面到器件层面的多尺度形貌结构特征与NRCR之间的关联（图1）。图1. (a) 当前最先进的有机光伏（OPV）器件与无机及钙钛矿技术的参数比较。(b) 描述了从分子层面到器件层面OPV中非辐射电荷复合损失。首先，该综述介绍了理解有机半导体中非辐射电荷复合过程的普适性机制（图2）。随后，该工作进一步总结了有机半导体分子NRCR的分子结构机制及分子结构-发光特性关系，并根据能隙定律提供了高发光量子产率（PLQY）分子的设计策略。接着，该综述深入探讨了分子聚集对非辐射电荷复合的影响规律，及如何控制它们在组装成薄膜时的堆积行为，以减少聚集引起的猝灭（图3）。此外，该综述分析了有机光伏器件给体和受体材料混合形成的本体异质结形貌（BHJ）本身引起的非辐射电荷复合过程，总结了形貌结构和能级结构对非辐射电荷复合的影响规律，以及通过电荷转移态（CT）和三重态（T1）过程引起非辐射复合，并提出了针对性的缓解策略（图4）。最后，该综述简要介绍了界面工程和器件制造的优化方法，以实现最高的电致发光量子效率（ELQE）。该综述系统呈现了从分子逐步组装成为器件全过程的不同阶段（或不同尺度形貌结构）的非辐射电荷复合过程，并通过系统总结文献数据，指出了各个阶段/形貌尺度所引起的非辐射复合程度，对与系统性了解有机光伏中的NRCR具有一定指导意义。图4. OPV运行时激发物种的Jablonski图（红线表示OPV中正常的光电流产生路径，而蓝线和绿线分别代表辐射和非辐射损失路径）最后，该综述展望了在OPV中实现低NRCR的方法：（1）开发具有低单重态-三重态能隙（ΔES-T）的窄带隙有机半导体材料，特别是那些含有B-N结构的多重共振材料；（2）设计具有良好双极性电荷迁移率和低激子束缚能的新型有机半导体分子，开发无D:A异质结的器件结构；（3）开发高发光D:A界面。总之，该综述提供了一个全新的视角来理解OPV中的NRCR损失，强调了器件内多尺度结构对NRCR的影响。通过上述努力，乐观地预计OPV的非辐射电压损失将被降至0.1V以下，效率有望超过22%，从而推动OPV技术实现新的突破。
