在各种太阳能清洁利用技术中，有机太阳电池利用有机半导体光伏效应实现光电转换（吸收光子产生自由电荷），具有质轻、薄、柔和廉价等潜在优点，相关研究受到科学家广泛关注。当前最高效的单节有机太阳电池器件采用透明电极/有机功能层/金属电极的三明治夹层结构，其中，厚体异质结吸光活性层的有机太阳能电池不仅能够有效地提升器件的光吸收强度，而且能很好地兼容工业化制备工艺流程。但是，受限于有机半导体材料低载流子迁移率、给体/受体的相分离难于控制和有机/无机界面缺陷等因素，在通常的厚体异质结的单结器件中，伴随光吸收效率和短路电流提升的同时，填充因子往往显著降低，从而导致器件整体光电转换效率降低。同时，单一体异质结太阳电池器件的吸光范围和强度均受到限制，导致器件的最高可获得光电流密度和能量效率相对于无机太阳电池偏低。
最近，电子科技大学光电信息学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室的黄江副教授和于军胜教授与浙江大学高分子系李昌治教授和陈红征教授等合作，通过在单结太阳电池正负电极之间引入双层连续异质结活性层，结合界面修饰，成功实现了能量转换效率为12% 的宽光谱、厚膜有机太阳电池，为目前单结有机电池最高效率之一（Advanced Materials 2017,DOI:10.1002/adma.201606729）。
▲ 图1 双异质结器件的制备流程
该工作中，窄带隙的PDPP3T:PC71BM异质结吸光活性层通过粘贴转印至中带隙的PTB7-Th:PC71BM异质结薄膜上，从而将吸收光谱拓展至近红外范围（~925nm）（图1）。这种巧妙设计的双异质结结构不仅能同时提高低能量和高能量光子的利用效率，而且通过在两种体异质结间形成混合过渡区从而构建有效的电荷传输通道，同时针对未修饰的氧化锌电子传输层自身存在的物理、化学缺陷，工作中采用了OPCBM富勒烯分子自组装层钝化氧化锌界面缺陷，改善有机活性层和氧化锌的电子耦合和界面特性（Advanced Materials, 2016, 28, 7269；Solar RRL, 2017, 1, 1600008)（图2）。
▲ 图2 双异质结薄膜垂直相结构和电荷传输通道示意图
综合上述设计思路和几方面因素协同作用，最终成功实现具有高电荷迁移率和填充因子特性的厚膜双异质结有机太阳电池器件，采用ITO/ZnO/OPCBM/PTB7-Th:PC71BM (200 nm)/PDPP3T:PC71BM(50 nm)/MoO3/Ag结构的器件，成功实现短路电流密度23.75 mAcm-2，开路电压为0.77 V，填充因子为0.67，最佳能量转换效率达到了12.25%（图3）。
该工作为实现厚体异质结和宽光谱响应的高效率有机太阳电池提供了新思路。
▲ 图3 电压-电流密度曲线、量子效率性能图以及光伏性能参数
参考文献
[1] J. Huang, H. Wang, K. Yan, X. Zhang, H. Chen, C.-Z.Li* and J. Yu,* Highly Efficient Organic Solar Cells Consisting of Double BulkHeterojunction Layers, Advanced Materials2017, DOI: 10.1002/adma.201606729
[2] C.-Z. Li,* J. Huang, H. Ju, Y. Zang, J. Zhang, J.Zhu, H. Chen and A. K.-Y. Jen,* Modulate Organic-Metal Oxide Heterojunction via[1, 6] Azafulleroid for Highly Efficient Organic Solar Cells, Advanced Materials 2016, 28, 7269-7275.
[3] J. Huang, X. Zhang, D. Zheng, K. Yan, C.-Z. Li* andJ. Yu,* Boosting Organic Photovoltaic Performance Over 11% Efficiency WithPhotoconductive Fullerene Interfacial Modifier, Solar RRL, 2017, 1, DOI:10.1002/solr.201600008
来源：高分子科学前沿
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