探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 026

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

026 明星材料演进史：从PPV到PBDB-TFY6的华丽转身 2025-10-09

有机光伏（OPV）领域的发展，是一部活性层材料，特别是给体（Donor）和受体（Acceptor）材料持续创新和优化的历史。下面这个时间轴，帮你快速了解几个关键的明星材料及其演进关系：

早期探索：PPV与富勒烯的起步
有机光伏研究的第一个里程碑是1990年代发现的PPV（聚对苯撑乙烯） 及其衍生物，它作为聚合物给体材料，与C₆₀等富勒烯衍生物受体共混，形成了初步的体异质结（Bulk Heterojunction）结构。然而，富勒烯受体存在吸收弱、能级难以调控、形貌不稳定等缺点，限制了OPV的效率，早期器件效率长期徘徊在5%以下。

效率初升：PTB系列与富勒烯的优化
为了克服早期材料的局限，研究者们开发了新的给体材料，例如PTB7-Th，并优化富勒烯受体PC₇₁BM。通过引入氟原子（F）修饰侧链等策略，调节了材料的能级，增强了分子间的相互作用，使得器件效率得以提升。
然而，富勒烯受体固有的局限性难以从根本上解决，OPV的效率瓶颈依然明显。

范式转移：PBDB-T与非富勒烯受体ITIC
真正的突破来自于非富勒烯受体（Non-fullerene Acceptors, NFAs） 的出现，特别是具有A-D-A（受体-给体-受体） 结构的稠环电子受体，例如ITIC。与此同时，给体材料也迎来了重要创新，即PBDB-T及其氟取代的衍生物PBDB-TF（也称PM6）。氟原子的引入使其最高占据分子轨道（HOMO）能级降低（至-5.45 eV），从而有助于获得更高的开路电压（Voc）。
基于PBDB-TF:ITIC的器件实现了超过13%的效率，标志着非富勒烯有机太阳能电池（NF-OPVs）新时代的到来。


性能飞跃：PBDB-TF（PM6）与Y6的完美组合
2019年前后，受体材料领域出现了堪称"革命性"的成员——Y6。Y6采用独特的A-DA'D-A内核设计，具有更强的近红外吸收和更低的能量损失。当明星给体PBDB-TF（PM6） 与明星受体Y6结合，形成的PBDB-TF:Y6活性层，使得器件效率一举突破15%，并被认证达到14.9%。基于此体系的器件在500 lux的室内光照条件下，光伏效率甚至可以达到29.0%，展现了其在室内光应用，例如为物联网设备供电方面的巨大潜力。


未来已来：效率突破20%与新应用拓展
在PBDB-TF:Y6的基础上，研究者们通过叠层器件（Tandem OPVs） 等策略，将不同吸收范围的活性材料组合，进一步拓宽了对太阳光谱的利用。
2022年，中国科学院化学所侯剑辉团队利用先进的互连层技术，首次实现了效率超过20% 的有机太阳能电池，为OPV技术开启了新的篇章。
此外，基于PBDB-TF:Y6体系的器件在聚室内光下表现出优异的稳定性，其拟合T80寿命（效率衰减至初始值80%所需的时间）可超过30000小时，这为其实际应用增添了重要砝码。

从PPV到PBDB-TF:Y6，有机光伏明星材料的演进史，体现了研究人员在分子结构设计、材料理化性质调控方面的持续创新。希望这份梳理能帮助你更好地理解有机光伏技术的发展脉络。