探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 032

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

032 给体材料的“广谱”吸光攻略：如何捕获更多光子？ 2025-10-15

为给体材料打造“广谱”吸光能力，是实现高性能有机太阳能电池和光电器件的核心挑战。这就像是为捕光者装备一张更大、更细密的网，力求捕获从紫外到近红外的每一个珍贵光子。

以下是一份详尽的“广谱”吸光攻略，从分子设计到宏观结构，层层递进：

核心战略：拓宽吸收范围 + 增强吸收强度

“广谱”吸光的目标有两个：

红移吸收边：让材料能吸收能量更低（波长更长）的光子，特别是利用近红外区域的光子，这部分光子占据了太阳光谱中近一半的能量。

提高摩尔吸光系数：在吸收范围内，让材料对光子的“捕获”效率更高，吸收得更“狠”。

第一层攻略：分子结构设计——“改造捕光网本身”

这是最根本的策略，通过精巧的分子工程来实现。

1. 缩小分子的“带隙”
这是实现近红外吸收的关键。带隙是材料吸收光子所需的最小能量，带隙越小，能吸收的光子波长越长。

给体-受体结构：这是现代高性能给体材料的基石。通过交替连接富电子的“给体”单元和缺电子的“受体”单元，在分子内形成强烈的“推-拉”电子效应，能有效降低分子的最高占据轨道和最低未占轨道之间的能级差，即带隙。

增强分子内电荷转移：通过选用更强的给/受体单元，或引入辅助给/受体，进一步强化分子内的电子“推-拉”效应，是实现超窄带隙的有效手段。

2. 拓展分子的“共轭体系”
共轭体系是电子云离域的通道，也是光子吸收的“战场”。

增加共轭长度：一般而言，共轭链越长，吸收峰会红移，吸收范围会拓宽。但需平衡其与溶解性、形貌的关系。

平面化分子骨架：更平面的结构有利于电子的离域，减少能带隙，从而红移吸收并增强吸收强度。可以通过分子内氢键、原子间的非共价相互作用等策略来“锁住”分子的平面构象。

3. 巧用“能级和吸收的剪裁工具”

调控给体单元的给电子能力：使用更强的给电子单元（如噻吩并噻吩取代苯并二噻吩）可以升高HOMO能级，但需注意这可能带来开路电压的损失。

调控受体单元的吸电子能力：使用更强的吸电子单元（如氰基、氟/氯原子修饰的受体）可以显著降低LUMO能级，是红移吸收最有效的手段之一。

非共价构象锁：在分子骨架中引入S...O、S...N、H...F等弱相互作用，在不牺牲溶解性的前提下，实现分子的刚性和平面性，是近年来的明星策略。

第二层攻略：材料体系创新——“组建捕光团队”

单一材料的吸收范围总是有限的，组建团队可以实现优势互补。

1. 二元/三元共混策略

二元体系：选择一个吸收范围互补的给体和受体材料配对，例如一个吸收在500-700nm的给体，搭配一个吸收在700-1000nm的受体，从而实现宽光谱覆盖。

三元体系：在二元体系的基础上，引入第三组分。这个第三组分可以是：

光谱互补型：吸收二元体系未能覆盖的波段。

能量传递型：作为“天线”，吸收光子后将能量高效传递给主给体或受体，间接拓宽了有效吸收范围。

合金型：与主给体或受体形成类似合金的相，微调其能级和吸收谱。

2. 多组分给体/受体合金
设计结构相似但吸收略有差异的给体分子，使其在共混膜中形成“合金”相，其吸收光谱是各组分吸收的叠加或中间态，从而实现单一材料无法达到的宽谱吸收。

第三层攻略：微观形貌与宏观结构工程——“优化捕光战场”

即使分子本身很优秀，如果它们在器件中排列不当，光子也会白白溜走。

1. 优化活性层形貌
形成给体/受体互穿双连续网络结构，并具有合适的相分离尺度（~10-20 nm）。这确保了：

大的给体-受体界面：提供充足的反应位点。

高效的激子解离：激子能快速扩散到界面并分离为电荷。

连续的电荷传输通道：分离后的电子和空穴能顺畅地到达电极。
良好的形貌是实现强吸收和高效电荷提取的共同基础。

2. 引入光学管理结构
这是从器件物理层面“榨干”每一个光子的策略。

光学间隔层效应：通过调节活性层厚度和电极性质，使光场在活性层内形成驻波，让光强最大的位置与活性层重合，最大化吸收。

使用光栅/纳米结构：在电极或界面层引入纳米结构，可以散射入射光，增加光在器件内的传播路径，等效于增加了吸收厚度。

等离子体效应：在活性层中或界面处引入金、银等金属纳米颗粒，其表面等离子体共振可以极大地增强局域光场，从而显著提升材料在特定波段的吸收效率。

背反射镜：使用高反射电极（如Ag），将透射过去的光子再次反射回活性层，提供“第二次捕获”的机会。

总结：广谱吸光设计指南

策略层级 具体方法 核心目标
分子设计 给体-受体结构、增强ICT、平面化、非共价键 缩小带隙，红移吸收，增强系数
材料体系 二元/三元共混、合金相 光谱互补，拓宽吸收范围
形貌与结构 优化相分离、光学间隔层、等离子体、背反射 最大化光利用，减少光子逃逸

最终，一个优秀的“广谱”吸光给体材料，必然是分子设计、材料筛选和器件工程三者协同优化的结果。 它就像一位训练有素的捕手，不仅自身装备精良（分子设计），还懂得与队友完美配合（材料体系），并且在最适合的场地进行比赛（形貌与结构），最终才能赢得“光子捕获大赛”的胜利。