探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 029

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

029 非富勒烯受体（NFA）革命：如何将OPV效率推上新高峰？ 2025-10-12

非富勒烯受体（NFA）的革命确实是推动有机光伏（OPV）发展的核心动力，它通过精巧的分子设计，从根本上提升了太阳能转化为电能的效率。

下面这个表格，可以让你快速了解这场技术革命中的几位“明星分子”及其贡献。

受体材料名称 所属类型 / 设计策略 报道的最高效率 (PCE) 关键特性与突破
Y6 及其衍生物 (如BTP-eC9, L8-BO) Y系列NFA；氟化/氯化策略优化能级和分子堆积 19.20% (PM6:L8-BO) 拓宽吸收光谱，增强分子间电荷传输，降低能量损失
AQx-22 喹喔啉基NFA；主核溴化异构化策略 19.5% 实现低能量损失 (0.476 eV)，同时获得高开路电压 (0.970 V)
IO-4Cl 专为室内应用设计的NFA 26.1% (在室内LED光下) 吸收光谱与室内光源完美匹配，对厚度和串联电阻不敏感


效率突破的背后：分子设计与器件工程

效率数字的提升，源于研究人员在分子设计和工艺优化上双管齐下的努力。

精准的分子调控：通过在分子骨架上引入氟（F）、氯（Cl）等卤素原子，可以像调音一样精细调节材料的能级结构和分子间的堆积方式，从而拓宽对光线的吸收范围并提升电荷的传输能力。朱晓张团队开发的AQx-22则展示了通过主核溴化异构化策略，能够在实现高效电荷分离的同时，显著降低能量损失，从而同时获得高电压和高效率。

创新的器件工程：除了设计新材料，优化电池的制备工艺也同样关键。香港理工大学李刚团队开发的 TCB（1,3,5-三氯苯）结晶调节剂策略，能够精确控制活性层中给体和受体材料的微观排列和结晶度，从而抑制电荷复合，将二元电池的效率推高至19.31%。这项技术还展现出更好的器件稳定性，在持续光照测试中寿命显著延长。


拓展应用新天地

NFA革命带来的不仅是效率数字的飞跃，更打开了通往广阔应用场景的大门。

室内物联网供电：这是NFA-OPV极具竞争力的赛道。化学所侯剑辉团队的研究表明，针对LED等室内光源光谱设计的OPV（如使用IO-4Cl），其转换效率可超过26%。加上其对活性层厚度不敏感的特性，非常适合用低成本印刷工艺大规模生产，为无数物联网传感器和微型设备供电。

柔性与便携设备：得益于其轻、薄、柔的天然属性，高性能OPV可以轻松集成到柔性电子设备、可穿戴设备、便携式电源以及建筑表面（BIPV）等传统太阳能电池难以应用的领域。


面临的挑战与未来方向

尽管前景光明，但NFA-OPV走向大规模产业化仍有关键挑战需要攻克。

平衡厚膜与效率：目前超高效电池的活性层非常薄（约100纳米），这对大规模生产是巨大挑战。产业制造需要更厚的膜（300-500纳米）来保证工艺良率，但厚膜会引发电荷难以被有效收集等问题。如何设计在厚膜下依然能保持高性能的新材料，是当前的研究热点。

提升长期稳定性：有机材料在面对氧气、水分和光照时的长期稳定性仍需进一步加强。通过材料改性（如引入稳定剂）和优化的封装技术，OPV的工作寿命正在不断延长。

降低综合成本：一些高性能NFA的合成步骤依然复杂、成本较高。未来需要通过设计更简洁的分子结构和开发更低成本的原材料，进一步降低整体制造成本。


非富勒烯受体的革命，标志着有机光伏领域从“追随”走向了“引领”。通过持续的材料创新和对物理机制的深刻理解，OPV技术正朝着更高的效率、更丰富的应用场景和更具竞争力的成本目标稳步迈进。