探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 021

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

021 效率损失在哪里？详解有机光伏中的能量损失途径 2025-10-04

有机光伏（OPV）的效率损失是其商业化道路上最大的挑战之一。这些损失贯穿于从光子入射到电荷收集的整个链条。下面我们详细解析有机光伏中的能量损失途径，并指出效率损失具体发生在哪里。

核心问题：理论与现实的差距

理想情况下，一个带隙为 Eg 的光伏器件，其最大开路电压（Voc）应该接近 Eg/q（q为元电荷）。但在有机光伏中，Voc 远小于 Eg/q，这个巨大的电压损失是效率损失的最主要来源。此外，电流（短路电流Jsc）和填充因子（FF）也因各种原因无法达到理论最大值。

我们可以将能量损失途径按照光电转换的物理过程顺序分为四个主要阶段：

第一阶段：光子吸收与激子生成（光学损失）

光谱失配损失：

原因：太阳光光谱宽广（300-2500 nm），而单一有机半导体材料的吸收光谱通常较窄。无法利用太阳光中的所有光子，特别是能量低于材料带隙（Eg）的红外和部分可见光光子。

解决方向：开发窄带隙给体材料和宽带隙受体材料，构建互补吸收的体异质结，以实现对太阳光谱更宽范围的覆盖。

反射与透射损失：

原因：入射光在空气/玻璃、玻璃/ITO等界面会发生反射。部分未被活性层充分吸收的光会直接透射出去。

解决方向：使用减反射涂层、优化器件光学结构（如引入光学间隔层）、设计具有光捕获结构的电极（如纳米结构）。


第二阶段：激子扩散与解离（激子动力学损失）

这是有机光伏特有的、也是最关键的损失阶段之一。

激子束缚能损失：

原因：有机材料是介电常数较低的软物质，光生电子和空穴之间的库仑作用力非常强，它们不会像无机半导体那样直接生成自由的电子和空穴，而是形成紧密结合的电子-空穴对，即激子。激子的束缚能通常高达0.3-0.5 eV。这部分能量在激子生成时就已经损失掉了。

激子扩散长度限制：

原因：激子在中性状态下通过Förster共振能量转移或扩散运动，其平均扩散距离（扩散长度L_D）很短，通常只有5-20 nm。如果激子在其寿命内无法到达给体/受体界面，就会通过辐射或非辐射途径衰减。

解决方向：采用体异质结结构，将给体和受体材料在纳米尺度上互穿混合，确保任何位置产生的激子都能在扩散长度内到达界面。

激子解离（电荷转移）的驱动力损失：

原因：为了克服激子的强束缚能，需要给体材料的最高占据分子轨道和受体材料的最低未占分子轨道之间存在一个足够的能级偏移（ΔE_LUMO 或 ΔE_HOMO），这个能级差被称为“驱动力”。这部分额外的能量（通常>0.3 eV）在激子解离成自由电荷时以热的形式耗散掉。

现状与挑战：近年来，随着非富勒烯受体的发展，研究发现即使驱动力很小甚至为零，也能实现高效的激子解离。但这仍然是一个需要精细权衡的问题：过小的驱动力可能导致解离不完全，而过大的驱动力则会直接造成电压损失。


第三阶段：电荷传输与收集（电学损失）

电荷复合损失：
这是造成电压损失和电流损失的核心原因，分为两种：

** germinate复合**：已经被解离但尚未完全分离的电子-空穴对（电荷转移态），由于库仑引力重新复合。这直接限制了自由电荷的生成效率。

双分子复合：自由电子和自由空穴在传输过程中相遇而复合。这会显著降低电荷的收集效率，尤其是当载流子迁移率较低或器件较厚时。双分子复合是导致填充因子FF下降的主要原因。

低载流子迁移率与不平衡传输：

原因：有机半导体中的电荷传输依赖于分子链段之间的“跳跃”，迁移率通常比无机半导体低几个数量级。低速传输增加了电荷在途中被复合的几率。

不平衡传输：如果电子和空穴的迁移率差异巨大，迁移率较低的一方会成为瓶颈，在电极处积累空间电荷，产生内建电场屏蔽，从而加剧双分子复合，严重降低FF。

陷阱辅助复合：

原因：活性层中的化学缺陷、结构无序或杂质会形成能量“陷阱”，捕获载流子。被捕获的载流子更容易与相反电荷的载流子发生复合。这种复合是单分子复合，会进一步降低Voc和FF。


第四阶段：非辐射复合损失（电压损失的根本）

这是目前有机光伏研究的焦点，也是其Voc远低于无机/钙钛矿电池的最根本原因。

非辐射电荷转移态复合：

机理：在给体-受体界面，解离后的电荷对处于一个名为“电荷转移态”的中间态。这个态的能量（ECT）低于材料的带隙（Eg）。如果这个CT态通过非辐射途径（主要是分子振动弛豫）衰减回基态，而不是通过辐射发光衰减，就会导致巨大的能量损失。

关键公式：Voc的损失可以近似表示为：
qVoc ≈ ECT - kT ln(γ/n²krad)
其中，krad是CT态的辐射复合速率常数，γ和n是其他参数。可以看到，CT态的辐射复合效率越低（即非辐射复合越强），Voc的损失就越大。

根源：有机材料的振动模式复杂，电子态与振动耦合强烈，使得电子从CT态回到基态时，能量很容易通过分子振动（发热）耗散掉，而不是以光子的形式发射出去。


总结与效率损失路径图

为了更直观地理解，我们可以追踪一个光子的能量旅程：

入射光子能量 (Ephoton) → 单重态激子 (S1, 能量≈Eg) → 电荷转移态 (CT, 能量=ECT) → 输出电能 (qVoc)

对应的能量损失为：

初始损失：Ephoton - Eg（如果Ephoton > Eg，热化损失）

激子束缚能损失：Eg - ECT（这是为了实现激子解离必须付出的“驱动力”代价）

非辐射电压损失：ECT - qVoc（这是目前OPV最大的“软肋”，由CT态的非辐射复合主导）

当前的研究热点与解决策略

设计高发光效率的材料：通过分子工程，合成具有高荧光量子产率的给体和受体材料。高发光效率意味着非辐射复合通道被抑制，从而直接提升Voc。

减少能级失调：在保证激子能够高效解离的前提下，尽可能缩小给体HOMO与受体LUMO之间的能级差（即减少“驱动力”损失），从而提升ECT和Voc。

优化活性层形貌：通过溶剂工程、添加剂、热退火等手段，形成纳米尺度互穿、相纯度高的双连续网络，以促进激子解离、减少复合，并提高载流子迁移率。

界面工程：引入合适的电子/空穴传输层，降低电极与活性层之间的能量势垒，减少界面复合，改善电荷收集。

开发新型器件结构：如串联结构，使用不同带隙的材料组合，更有效地利用太阳光谱，同时降低热化损失。


总而言之，有机光伏的效率损失是一个多物理过程耦合的复杂问题。其中，由非辐射复合导致的巨大电压损失是当前最需要攻克的堡垒。通过材料创新和器件物理的深入理解，逐步缩小理论与现实之间的差距，是推动OPV走向实际应用的关键。