科学新知:2021 Advanced Materials, 近红外材料:有机光伏的转折点

  Advanced Materials (IF 30.849) 于2021年10月刊登美国洛杉矶加利福尼亚大学 (UCLA) Yang Yang等人的研究成果。拥有近红外 (near-infrared, NIR) 吸收的有机半导体为有机光伏 (organic photovoltaic, OPV) 研究开辟了许多机会,例如:开发新的化学与合成方法。此外,也促使单结太阳能电池效率从不到5%提高到19%左右;也实现串联、透明有机光伏 (transparent organic photovoltaic, TOPV)等新型结构。因此NIR供体/受体的概念成为一个转折点。本文主要回顾NIR吸收材料用于OPV的发展,以及强调分子内电荷转移 (Intramolecular Charge Transfer, ICT) 效应对于有机半导体吸收窗口的调节,扮演了重要角色。

  光学的吸收窗口,是评断NIR材料的重要指标。根据低能量吸收窗口,作者们将 NIR光伏材料(p型(聚合物)和n型(富勒烯和非富勒烯))分为四类:700-800nm、800-900nm、900-1000nm及大于1000nm。分别探讨各种类型的供体 (donor, D) 和受体 (acceptor, A) 单元的设计、合成和利用,并将各种D、A单元与吸收窗之间的结构与性能紧密链接一起,满足不同应用的需求。

Invention of NIR OPV
absorption window four categories OPV

根据低能量吸收窗口,将NIR光伏材料分为四类。

  NIR材料具备了近红外光谱的吸收能力与良好的导电性,故能将光谱的吸收范围扩大,加强有机光器件对光子的捕获能力并影响有机太阳能电池(organic solar cell, OSC) 的发展。文中,也展示NIR材料的各种应用,包括:

(1)透明/半透明OPV可应用于便携式的集成太阳能充电装置,发电屋顶和自供电型的温室。
(2)串联OPV迭层器件结构能有效提升OSC的效率,能利用更大范围的太阳光谱,有效减少光子以热量形式损失。
(3)光电探测器:由于近红外光在生物组织里有长传播距离与低衰减特性,故可应用于环境监测,临床诊断,夜间监控和便携式电子设备等领域。
  最后则是探讨下一代有机光伏与其他领域的新型NIR材料的挑战和未来发展,包含以下几个方向:材料设计、器件工程、器件结构与理论计算。

application of NIR in photodetectors

近红外光在光电探测器的应用。

本文关键词:近红外、Near-infrared、有机光伏、organic photovoltaic、有机太阳能电池、organic solar cell

原文:https://doi.org/10.1002/adma.202107330

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