探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 018

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

018 避免“交通事故”：认识电荷复合这条效率杀手 2025-10-01

在有机光伏领域，电荷复合确实是阻碍效率提升的关键问题之一，它就像交通系统中的事故，阻碍了电荷的顺畅流动。下面这个表格，可以帮你快速了解电荷复合的几种主要类型及其核心特征。

复合类型 比喻 对效率的影响 主要成因
非辐射复合 (尤其是通过CT态) "致命车祸"
电荷完全湮灭，能量以热耗散，无法被检测。 严重降低开路电压(Voc)，是有机太阳能电池效率低于其他类型电池的主因之一。 给受体界面处的电荷转移态(CT态)缺陷、界面缺陷。

双分子复合 (也称Langevin复合) "车辆追尾"
自由电子与空穴相遇后复合。 降低填充因子(FF)和短路电流(Jsc)，尤其在厚膜器件中更为显著。电荷迁移率低、传输不平衡，导致电子和空穴在传输过程中"相遇"的几率增加。

单分子复合 (也称陷阱辅助复合) "道路陷坑"
电荷被材料内部的缺陷或"陷阱"捕获后复合。 降低填充因子(FF)和短路电流(Jsc)，是电荷收集效率低的重要原因。 材料本身的结构无序、杂质、界面缺陷等。

如何减少"交通事故"：核心策略

要抑制电荷复合，需要从材料设计和器件工程两个维度双管齐下。

1. 材料设计与化学修饰
通过在分子中引入特定官能团，可以优化材料的基本性质。例如，研究证实，在D-π-A型共轭聚合物的噻吩侧链和噻吩π桥引入氯原子取代，能有效将非辐射复合电压损失降低至0.16V左右。开发具有高介电常数的活性层材料，可以增强材料屏蔽库仑引力的能力，促进激子有效解离，并抑制双分子复合，从而提升填充因子。

2. 活性层形貌优化
活性层理想的微观形貌应该是具有合适尺度的互穿网络结构和清晰的相分离。这能提供充足的给受体界面以解离激子，同时形成畅通的电荷传输通道。通过使用溶剂添加剂、热退火等技术可以精细调控活性层形貌。层状埋底异质结等新型结构也被证明能优化电荷产生和传输路径，减少复合。

3. 界面工程
电极与活性层之间的界面是电荷收集前的"最后一公里"，也是复合的高发区。通过构建有机/无机复合界面层，可以协同降低界面缺陷密度、提升电导率并改善薄膜均匀性。例如，使用二维非晶氧化锌与有机材料构成的复合界面，已被证明能显著抑制界面复合，帮助器件效率突破21%。

4. 器件结构与工程
对于更厚的活性层（这对产业化制备至关重要），需要特别关注电荷迁移率的平衡。如果电子和空穴的迁移率不匹配，会在低迁移率一侧形成空间电荷区，导致严重的复合和填充因子下降。通过构建三元体系或使用添加剂，可以优化和平衡电荷传输，从而制备出高效率的厚膜器件。

前沿进展与未来方向
近年来，通过聚焦于降低非辐射复合损失，有机光伏领域取得了系列突破。例如，国家纳米科学中心等机构通过氯取代策略成功将非辐射电压损失降至0.16V；而天津大学/国科大团队则通过创新界面工程，实现了21%的认证效率纪录。
展望未来，提升器件的稳定性和开发适用于大面积制备的厚膜工艺技术，是推动其产业化应用的关键。同时，利用机器学习等新兴工具辅助分子设计和工艺优化，也展现出巨大潜力。