北大团队研发新型非富勒烯光伏，打开有机太阳能电池结构一扇门
发展可再生能源，是实现国家“双碳”战略目标的关键。太阳能作为一种取之不尽、分布广泛、绿色无害的可再生能源，一直受到极大的关注。
有机太阳能电池是一种新型薄膜太阳能电池，具有成本低、质量轻、环境友好、可实现半透明、可采用卷对卷印刷制备大面积柔性器件等突出优点，在分布式光伏和“光伏+”应用方面前景广阔。
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发展可再生能源，是实现国家“双碳”战略目标的关键。太阳能作为一种取之不尽、分布广泛、绿色无害的可再生能源，一直受到极大的关注。有机太阳能电池是一种新型薄膜太阳能电池，具有成本低、质量轻、环境友好、可实现半透明、可采用卷对卷印刷制备大面积柔性器件等突出优点，在分布式光伏和“光伏+”应用方面前景广阔。
而有机太阳能电池的活性层，一般由电子给体和电子受体这两类有机半导体材料组成。
当前，有机半导体材料，已被广泛用于多个领域。不过，其介电常数一般较低(ε ~ 2-4），在光激发下只能产生具有高结合能的 Frenkel 激子、而非自由电荷。
给体/受体界面处有能级差，这可以为激子解离提供驱动力。因此，足够的给体/受体界面是必不可少的。
一般认为，本体异质结（BHJ，Bulk Heterojunction）是有机太阳能电池活性层的理想结构，可同时实现有效的激子解离和电荷输运，其给体/受体相分离尺寸约为 10~20 nm。
因此，大多数高效有机太阳能电池的给体和受体含量大致相当。通过稀释给体或受体，会减少给体/受体的界面，从而导致激子解离不充分、电荷输运不平衡、以及电荷复合增加等后果。
然而，对于给体/受体比例、浓度、溶剂、添加剂、温度、成膜方式等加工条件，BHJ 活性层薄膜形貌非常敏感。这会带来器件加工复杂和形貌不稳定性等问题，限制了器件性能和可重复性。
据介绍，北京大学材料学院教授占肖卫团队的相关成果，曾开启了领域的“非富勒烯时代”。
而在近期一项研究中，他的课题组和合作者发展了一种有别于 BHJ 的活性层结构，即在大量的受体中掺入极少量给体 (≤10 wt%)，也就是“准同质结 (QHJ，Quasi-Homojunction)”。
研究发现，基于 PTB7-Th:Y6 的有机太阳能电池，当给体/受体的质量比为 1:8 或 1:20 时，其效率分别是最优 BHJ 器件效率的 95% 或 64%。
另外，QHJ 器件的形貌稳定性和热稳定性优于 BHJ 器件。而基于其他给体或受体的 QHJ 器件效率，会随着给体含量减少而呈现显著下降。
通过超快瞬态吸收、电流感应原子力显微镜等器件物理和光物理的分析、以及软 X 射线等形貌表征，该团队揭示了高效 QHJ 太阳能电池的工作机理。
在经典 BHJ 有机太阳能电池中，激子在给体/受体界面解离，生成的电子/空穴通过受体/给体相传输，直到被电极收集。
在基于 PTB7:Y6 的 QHJ 器件中，他们观察到很大一部分自由电荷是在 Y6 相中本征产生的，而不是在给体/受体界面。
Y6 还起到了双极性电荷输运通道的作用，除了传输电子，在极少量给体的情况下还可实现高效的空穴输运。
少量 PTB7-Th 的主要作用是减少电荷复合，这可能是通过增强 Y6 内部的四极场来帮助实现的，而不是它在传统 BHJ 器件中所起的光吸收、激子分离和空穴传输等作用。
课题组还提出，高效 QHJ 器件应满足以下基本要求：
其一，主要成分为高效稠环电子受体材料，其应具有：宽而强的可见和近红外光吸收、高效的双极性电荷输运、以及光照下能自发生成载流子等性质；
其二，次要组分必须是合适的给体材料，其能级与主组分匹配，以获得较高的开路电压；
其三，主组分可以形成大而纯的相区，这有利于电荷输运，以及减少载流子复合，在受体相内可通过四极场和电荷分离增强能带弯曲。
可以说，此项工作为有机太阳能电池提供了一种有别于经典 BHJ 结构的新思路。
在这种结构中，可以通过提高本征电荷的产生、以及减少电荷复合来实现高效率，而非仅仅依赖于给体/受体界面上的激子解离。
图| BHJ (a) 和 QHJ (b) 有机太阳能电池的基本工作机理（来源）
图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）
青岛大学材料科学与工程学院王逸凡副教授是第一作者，新西兰惠灵顿维多利亚大学化学与物理科学学院迈克尔·B·普莱斯（Michael B. Price）博士、以及占肖卫教授担任共同通讯作者。
其中一位审稿人认为：“这项工作可能为经典 BHJ 结构之外的新型有机太阳能电池结构打开一扇门，具有很高的概念新颖性和重要性。”
据介绍，由于 QHJ 中给体含量极少，受体占主要部分。而稠环电子受体在可见光区吸收较少，其主要吸收波段在近红外区，因而该成果可用于制备半透明太阳能电池及近红外光电探测器。
研究要从 2019 年说起，当时课题组偶然发现基于聚合物给体 PTB7-Th 和稠环电子受体 FOIC 的有机太阳能电池，在给体含量极少时，器件仍能获得较高的效率。
这种结果出乎他们的预料，且使用已知的有机太阳能电池理论很难进行解释，他们对此很感兴趣并开始继续探讨。
下一阶段则是系统拓展。研究团队想知道这种有趣的现象，是否在稠环电子受体中普遍存在。
因此，他们系统性地研究了不同稠环电子受体对基于 PTB7-Th 的 QHJ 器件的影响。
结果发现，实验中使用的多种稠环电子受体，均能产生类似于 FOIC 的结果。其中，随着给体含量的降低，Y6 器件效率的下降最为缓慢。
“我们继续问自己，这种现象是稠环电子受体的本征属性、还是说也受到给体材料影响？”占肖卫说。
接着，他们开始研究不同聚合物给体材料对于 Y6 器件的影响，随后发现基于其他给体的 QHJ 器件，在给体含量减少时，效率下降均比 PTB7-Th 快。
研究团队也很好奇 PTB7-Th: Y6 组合为何如此特别，于是便进入第三阶段——机理探究。
期间，他们与东华大学先进低维材料中心研究员唐正课题组合作，研究了器件的能量损失。
又与新西兰惠灵顿维多利亚大学化学与物理科学学院教授贾斯汀·霍奇基斯（Justin Hodgkiss）课题组合作，通过超快瞬态吸收光谱，研究了激子分离。
后又与美国雪城大学机械与航空航天工程系教授 Quinn Qiao 课题组合作，通过电流感应原子力显微镜研究了电荷输运。
接下来，该团队又与西安交通大学材料科学与工程学院教授马伟课题组合作，研究了薄膜形貌，进一步解释了电荷输运的机理。
最终，合作团队一起揭示了高效 QHJ 器件的工作机制，并解释了基于 PTB7:Y6 的 QHJ 器件效率高于基于 PM6:Y6 的 QHJ 器件的原因。
占肖卫表示，研究中最难忘的是发现异常现象的过程。他说：“最初，我们在另外一项研究中，将 PTB7-Th:FOIC 比例从 1:1 调节到 1:4，但是器件效率并没有降低。因而突发奇想能不能再降低给体含量试试，于是就降到 1:20，结果就发现了令人惊讶的现象。”
可以说，本项研究纯属意外发现。由此，占肖卫感慨科学研究不仅要勤于思考、还要善于观察。有时，研究一些异常现象或可打开新的思路。
下一步，他们计划筛选聚合物给体和稠环电子受体组合，进一步提高 QHJ 器件的效率。另外，打算把 QHJ 用于半透明有机太阳能电池以及近红外光电探测器。
作者： 来源：麻省理工科技评论 责任编辑：jianping
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