探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 015

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

015 神奇的界面：DA异质结是如何“拆散”激子这对怨偶的？ 2025-09-28

在有机光伏（OPV）器件中，给体（D）和受体（A）材料构成的异质结界面，扮演着一位高明的“情感调解师”。它能在亿万分之一秒内，巧妙地拆散激子这对光生“怨偶”，将它们转变为能够自由移动的电荷，从而产生电流。


下面这个表格清晰地概括了这位“调解师”的核心工作流程与关键策略：

核心环节 角色作用 关键策略 / “拆散”原理 对器件性能的影响
❶ 激子生成与扩散 “怨偶”形成：材料吸收光子后，产生束缚在一起的电子-空穴对（激子）。 设计具有互补吸收光谱的给体和受体，实现从紫外到近红外的宽光谱捕获，生成更多激子。 更强的光吸收能力，有助于提高短路电流密度（Jₛc）和器件的整体性能。

❷ 抵达异质结界面 “怨偶”到达调解现场：激子扩散至给体-受体（D/A）界面。 优化分子排列和相分离结构，形成纳米尺度的互穿网络，为激子提供更多抵达界面的通道。 更长的激子扩散长度和更优化的活性层形貌，使得即使在较厚的膜中也能实现有效的电荷生成。

❸ 激子解离 关键拆散环节：在界面处，激子被拆分成自由的电子和空穴。 能级差驱动：给体的最高占据分子轨道（HOMO）与受体的最低未占据分子轨道（LUMO）之间存在足够的能级偏移（通常需>0.3 eV），提供激子解离的驱动力。 有效的激子解离是自由电荷生成的关键，直接决定光电流的大小。

❹ 电荷传输与收集 “各自安好”：自由的电子和空穴分别沿受体和给体传输，最终被电极收集。 平衡传输：确保电子和空穴的迁移率尽可能平衡，避免因一方“拖沓”导致电荷积累和复合。 平衡的电荷传输可以减少复合损失，提升填充因子（FF）和能量转换效率（PCE）。


更深层的“调解艺术”：优化DA异质结的策略

为了提升这位“调解师”的工作效率，科学家们还发展出一些更精妙的策略：

结构工程：除了常见的体异质结（BHJ），平面混合异质结（PMHJ） 通过顺序沉积形成更规整的给体/受体分层结构，能减少过度的D/A混合。这可以抑制电荷转移态弛豫到能量最低的三重态激子，从而降低一种重要的非辐射复合损失，让器件效率突破19%。

分子工程：在受体分子中引入氟原子是一种高效的策略。氟原子的强电负性可以优化分子的能级、增强分子间相互作用，并引导形成更理想的纳米级相分离形貌。这协同提升了激子的解离效率和电荷的传输能力，例如在PM6/Y6体系中实现了效率从8.23%到18.12%的飞跃。

三元策略：引入弱吸收的第三组分有时能起到意想不到的“助攻”效果。该组分本身不主要吸收光，但能作为有效的能量转移媒介，促进激子从给体转移到受体界面并高效解离。此策略在室内光伏条件下，成功将器件效率从24.7%提升至26.2%。


展望
尽管DA异质结界面“拆散”激子的核心角色已然明确，但前沿研究仍在不断深化对其动态过程的理解，并致力于解决长期稳定性和成本控制（如减少贵金属铂的使用）等挑战。未来，通过开发新型窄带隙受体材料（如Y6衍生物），并结合机器学习辅助的分子设计，有望进一步突破效率瓶颈，推动有机光伏走向大规模商业化应用。