仪器表征，非富勒烯受体引领有机光伏新纪元！

【科学背景】

有机光伏（OPV）是利用有机半导体材料将太阳能转化为电能，具有柔性、轻量化、低成本等优点，适用于建筑一体化、物联网设备和可穿戴电子产品等领域。然而，长期以来，OPV的效率受到传统富勒烯受体的固有限制，导致其功率转换效率难以突破。

传统富勒烯受体的限制包括其在可见光和近红外区域的吸收能力较弱，以及激子结合能较大等问题，这限制了器件的光电转换效率。为了克服这些限制，科学家们开始寻找替代性的受体材料，并最终将目光投向了非富勒烯受体。非富勒烯受体材料具有较强的可见光和近红外吸收能力，以及更小的激子结合能，这为提高光伏效率提供了潜在的可能性。然而，尽管非富勒烯受体材料具有潜力，但其在光物理和器件物理方面的机制和性能仍然不明确。

为此，北京大学占肖卫教授，吴宏滨教授，新西兰MacDiarmid先进材料与纳米技术研究所Justin M. Hodgkiss教授团队携手在Nature Reviews Physics上发表了一篇综述文章。本研究由一群科学家针对非富勒烯受体材料展开了深入研究，旨在揭示其在OPV中的光物理和器件物理特性，并探讨如何利用这些特性来提高光伏效率。研究重点包括激子的产生、扩散、传输和分离过程，以及电荷的产生和复合机制。

通过系统的理论分析和实验验证，研究人员成功地揭示了非富勒烯受体材料的优异性质，并提出了一系列解决方案来克服传统富勒烯受体的局限性。具体而言，他们发现非富勒烯受体具有较大的激子扩散系数和更低的能级混乱，从而提高了光电转换效率并降低了电压损失。

【科学图文】

图1. 给体和受体的分子结构。

图2. 非富勒烯受体的激子产生和扩散性质。

图3. 基于非富勒烯受体器件中的激子分离。

图4. 三态电子振动模型，非辐射电压损失和受体的光致发光量子产额。

图5: 非富勒烯受体的特征。

【科学结论】

非富勒烯受体在有机光伏领域展现了引人注目的特性，其强大的吸收能力和高光致发光量子产率为光电转换提供了新的途径。通过长程的 Förster 谐振能量转移和空穴转移主导的激子分离过程，非富勒烯受体在提高光电转换效率的同时，降低了电压损失。与富勒烯受体相比，非富勒烯受体在激子产生、激子扩散、激子分离和电荷复合等方面呈现出独特的优势。其未来发展方向包括开发新材料以提高光吸收和辐射效率，并探索三元和串联策略以进一步提高光伏效率。这些发现不仅在理论上推动了光伏技术的进步，也为实际应用和商业化奠定了基础，为光伏领域的未来发展指明了方向。

文献详情：Wang, J., Xie, Y., Chen, K. et al. Physical insights into non-fullerene organic photovoltaics. Nat Rev Phys (2024). https://doi.org/10.1038/s42254-024-00719-y ，https://www.nature.com/articles/s42254-024-00719-y