【摘要】 深度解析有机太阳能电池效率突破关键技术，详述体异质结结构优化、非富勒烯受体材料开发及光子能量损耗控制方案，揭示20%PCE实现路径与最新科研进展。

有机光伏效率参数关系图 展示PCE、EQE、FF的协同优化路径

图1 等高线图显示了计算的PCE与带隙能量Eg和FF的关系。qVOC和EQE分别固定在Eg - 0.5 eV和90%

 

有机太阳能电池（OPV）凭借其柔性可穿戴特性与低成本制造优势，已成为新能源领域研究热点。基于体异质结（BHJ）结构的活性层技术，通过供体聚合物与受体分子的纳米级共混，成功实现18%以上的功率转换效率（PCE）。但要让单结器件突破20%效率瓶颈，必须攻克外量子效率（EQE）达90%与填充因子（FF）超0.75的双重技术难关。

 

一、OPV技术核心挑战：效率参数的动态平衡

当前有机光伏技术面临的关键矛盾在于活性层厚度的选择：

1.光子吸收需求：200nm以上厚度才能捕获90%入射光子

2.电荷传输限制：厚膜加剧载流子复合，导致FF值下降

20电压损耗控制：0.5eV以下的光子能量损失尚未稳定实现

电荷转移与复合机制示意图 展示激子分离与载流子迁移路径

图2 （a）光照下的体异质结OPVs。（b）均质介质中自由电荷之间的朗热万复合。（c）自由空穴（或电子）和深困电子（或空穴）之间的Shockley-Read-Hall （SRH）复合。（d）电荷转移态（CTS）到基态（GS）的辐射和非辐射跃迁

 

二、光子能量损耗与优化路径

研究团队通过建立Eg-qVoc=0.5eV的损耗模型发现：

  • ​电荷转移态（CTS）形成：激子分离时约0.7eV能量损失不可避免
  • ​非辐射复合抑制：高发光效率的NFA材料可提升辐射复合占比
  • ​三元混合体系：人工构建级联能量景观提升电荷解离效率

 

三、材料创新突破方向

1.非富勒烯受体（NFA）开发：

  • 提升光致发光量子效率至80%以上
  • 优化HOMO/LUMO能级偏移量（建议0.3-0.5eV）

2.​形态工程创新：

  • 10nm级相分离结构控制技术
  • 混合相熵效应增强方案

3.界面工程突破：

  • 构建梯度能级异质结
  • 双分子复合（GR）抑制技术

 

四、未来技术路线图

通过多技术协同可实现效率跃升：

材料优化 → 形态控制 → 器件工程 → 系统集成
↑　　　　　↑　　　　　↑
NFA发光效率  相分离精度  界面修饰技术
90% EQE目标  200nm工艺  0.75 FF维持

 

参考文献：1.Fukuhara, T.;  Tamai, Y.; Ohkita, H., Nongeminate charge recombination in organic photovoltaics. Sustainable Energy Fuels 2020, 4 （9）, 4321-4351.

 

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