新型非富勒烯受体助力有机太阳能电池实现20.2%效率

近年来，工程师们推出了各种光伏(PV)解决方案，以促进全球可持续发电。其中包括有机太阳能电池(OSC)，这是一种使用有机分子或聚合物将阳光转化为电能的光伏设备。

这些太阳能电池具有显著的优势，包括高灵活性、更轻的重量和更低的制造成本。然而，它们的能源转换效率(PCE)仍然明显低于硅基太阳能电池。

中国科学院和北京师范大学的研究人员最近设计了一种新型非对称非富勒烯受体(即可以接受和传输电子的材料)，可以提高OSC的效率。这种材料在《自然能源》杂志上发表的一篇论文中介绍，具有多种有利的光电特性，包括高光致发光量子产率(PLQY)和离域激子。

“对于有机太阳能电池(OSC)，要突破肖克利-奎瑟极限，就必须通过分子设计和器件工程，同时降低高开路电压下的能量损失、提高光利用率以增强短路电流密度，并保持具有高填充因子的理想纳米形貌。”蒋媛媛、孙少明及其同事在论文中写道。

“我们设计并合成了一种以束缚苯基为特征的不对称非富勒烯受体(Z8)，以在三元OSC中建立合金受体。”

姜、孙等人设计的非对称非富勒烯受体，其特点是侧链为苯基取代基，其优异的光电性能可降低太阳能电池的非辐射能量损失，同时促进电荷的有效产生和传输。

江、孙和他们的同事写道：“非对称结构最大限度地减少了非辐射能量损失和由于离域激子而引起的电荷复合。”“苯基取代的烷基侧链影响分子间相互作用，改善薄膜纳米形态，提高激子分离效率，减少电荷复合。”

为了评估他们新设计的受体，研究人员用它们制造了单结OSC。由此产生的太阳能电池实现了非常有希望的20.2%效率(经认证为19.8%)，与近年来开发的其他OSC相比毫不逊色。

江、孙和他们的同事写道：“通过理论计算，我们研究了光子和载流子损耗的总体分布，并分析了开路电压、短路电流密度和填充因子的改进潜力，为OSC性能的进一步发展提供了合理指导。”

虽然该团队的受体材料所取得的成果令人鼓舞，但它们仍然无法与硅基和其他各种非有机光伏技术所报告的效率相比。在接下来的研究中，江、孙和他们的同事计划继续设计有助于最大限度地减少OSC中光子和载流子损失的材料。

他们的努力可能有助于开发效率更高、可扩展性更强的OSC，这些OSC可在现实环境中实际部署。同时，他们的工作可能启发光伏研究界的其他人设计类似的非富勒烯受体，旨在减少电池中的光子和载流子损失。

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