科学家发现静电力可以提升结构序，为设计有机光电器件提供重要借鉴
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麻省理工科技评论-科学家发现静电力可以提升结构序，为设计有机光电器件提供重要借鉴
有机太阳能电池（OSCs，Organic solar cells）是一种备受关注的前沿光伏技术，具有易加工、轻质和柔性等特点。
当前，凭借有机光电器件柔性、便携、可穿戴的优势，太阳能电池、显示屏等有机光电器件正在走进大众生活，并在无形中改变了人类的生活方式。
随着新型有机半导体材料的面世，有机太阳能电池的光电转换效率已超过 19％，即将迈入 20% 的行列。
与无机或有机/无机复合光伏半导体材料相比，有机光伏半导体在载流子产生、传输和收集等性能上，都无法和前者相匹及。
这是因为有机半导体分子的芳香族化学结构较为复杂，导致其存在分子规则性差、有序聚集困难的缺点，以至于它的结构有序性远远低于无机材料。
结构无序，不仅会导致有机半导体的低电荷迁移率，也会导致严重的双分子复合，从而带来巨大的能量损失。
举例来说，目前有机太阳能电池体系仅实现了约 80％的填充因子, 明显低于无机光伏体系的 85％以上的填充因子。
提升有机半导体分子聚集体的结构序，是公认的提高其光吸收能力和电荷输运能力的必要途径。
多年来，学界一直致力于通过化学和物理的方法，来提升有机半导体的结构序。
其中，化学方法是一种更加有效的途径，它能直接体现有机半导体材料分子结构的强大设计性。但是，使用化学方法来设计一种新材料，需要投入大量的精力和成本。
相比化学方法的费时费力，物理方法相对更加容易一些。近年来，人们发现通过使用共轭小分子添加剂，可以有效提高有机光伏分子在溶液成膜过程中的有序性，从而提升光电转换效率。
自此以后，各种共轭有机小分子添加剂开始不断涌现。然而，这些共轭分子添加剂也被发现仅适用于特定的有机光伏体系，存在普适性较差的缺点。
迄今为止，人们并未发现可以提升所有机光伏材料结构有序性的普适型共轭分子。关于共轭分子的作用机制也是众说纷纭，目前并未形成统一的认识。
从分子层面去认识共轭小分子添加剂与光伏组分间的作用机制，以及认识 P 型/N 型有机光伏组分间的作用机制，是解决上述难题的关键。
为了解决这一问题，武汉理工大学教授王涛课题组，研究了具有相反静电势的 P 型和 N 型分子之间的静电力对于彼此的结构序影响。
通过此，他们发现静电力可以显著提升结构序，表现出明显增强的光吸收和电荷传输能力。
他们由此提出稀释的异质结的新概念：即在 P 型电子给体中加入少量的 N 型电子受体，或在 N 型电子受体中加入少量的 P 型电子给体，形成稀释的 P/N 异质结。
利用 P/N 分子间静电力诱导结构序，在稀释的异质结中可以形成半导体分子的有序聚集。以结构有序的异质结来构筑有机光伏器件，可以获得显著提升的光吸收和电荷输运速率。
最终，他们不仅让光伏器件性能得以大幅提升，并在不同材料体系之中均实现了有效结果，验证了本次方法的普适性。
此外，这项研究不仅对于太阳能电池有着重要意义，对于其他有机光电器件比如场效应晶体管和热电器件也将产生深远影响。
评审专家表示此前在有机太阳能电池的研究中，人们一直通过各种添加剂来调节活性层的微观形貌。然而，针对每个不同的材料体系，都需要通过实验来选择合适的添加剂分子，相关结果对领域的启示作用有限。
而该团队提出了一种新型解决方案，摒弃了传统共轭分子添加剂，深入研究了 P 型电子给体和 N 型电子受体之间的作用，借此发现了静电力诱导分子聚集体结构序的显著效应。
这种方案既能改善光活性层的微观形貌，还能避免传统共轭分子添加剂的残留，带给光伏电池性能的负面影响，从而为设计和优化有机光电器件提供了重要借鉴。
一直以来，轻薄、柔性、半透明的有机太阳能电池，在可穿戴充电衣、光伏建筑一体化等领域都极具应用前景。
其中，有机场效应晶体管驱动的柔性显示屏，所带来的应用新体验更是极具冲击性。然而，这些有机光电器件的性能和稳定性，始终是它们走向应用的最后一道阻碍。
而本次研究从根本上针对光电材料的组分设计和制备工艺，提供了新的理论基础，将推动柔性显示、智能传感和可穿戴设备等有机光电技术的发展。
日前，相关论文以《给体-受体稀释异质结实现逐层涂覆制备的高效率有机太阳能电池》（Donor–acceptor mutually diluted heterojunctions for layer-by-layer fabrication of high-performance organic solar cells）为题发在 Nature Energy[1]，武汉理工大学博士生汪亮是第一作者，王涛担任通讯作者。
另据悉，该团队目前已经将这项成果扩展到其它光伏体系之中，也获得了更高效率的突破，并准备在室内光伏和有机光电探测领域开展新的探索。
参考资料：
1.Wang, L., Chen, C., Fu, Y.et al. Donor–acceptor mutually diluted heterojunctions for layer-by-layer fabrication of high-performance organic solar cells. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01436-z
排版：朵克斯
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