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科學新知:2021 Advanced Materials, 近紅外材料:有機光伏的轉捩點

  Advanced Materials (IF 30.849) 於2021年10月刊登美國洛杉磯加利福尼亞大學 (UCLA) Yang Yang等人的研究成果。擁有近紅外 (near-infrared, NIR) 吸收的有機半導體為有機光伏 (organic photovoltaic, OPV) 研究開闢了許多機會,例如:開發新的化學與合成方法。此外,也促使單結太陽能電池效率從不到5%提高到19%左右;也實現串聯、透明有機光伏 (transparent organic photovoltaic, TOPV)等新型結構。因此NIR供體/受體的概念成為一個轉捩點。本文主要回顧NIR吸收材料用於OPV的發展,以及強調分子內電荷轉移 (Intramolecular Charge Transfer, ICT) 效應對於有機半導體吸收窗口的調節,扮演了重要角色。

  光學的吸收窗口,是評斷NIR材料的重要指標。根據低能量吸收窗口,作者們將 NIR光伏材料(p型(聚合物)和n型(富勒烯和非富勒烯))分為四類:700-800nm、800-900nm、900-1000nm及大於1000nm。分別探討各種類型的供體 (donor, D) 和受體 (acceptor, A) 單元的設計、合成和利用,並將各種D、A單元與吸收窗之間的結構與性能緊密連結一起,滿足不同應用的需求。

Invention of NIR OPV
absorption window four categories OPV

根據低能量吸收窗口,將NIR光伏材料分為四類。

  NIR材料具備了近紅外光譜的吸收能力與良好的導電性,故能將光譜的吸收範圍擴大,加強有機光器件對光子的捕獲能力並影響有機太陽能電池(organic solar cell, OSC) 的發展。文中,也展示NIR材料的各種應用,包括:

(1)透明/半透明OPV:可應用於便攜式的集成太陽能充電裝置,發電屋頂和自供電型的溫室。
(2)串聯OPV:疊層器件結構能有效提升OSC的效率,能利用更大範圍的太陽光譜,有效減少光子以熱量形式損失。
(3)光電探測器:由於近紅外光在生物組織裡有長傳播距離與低衰減特性,故可應用於環境監測,臨床診斷,夜間監控和便攜式電子設備等領域。
  最後則是探討下一代有機光伏與其他領域的新型NIR材料的挑戰和未來發展,包含以下幾個方向:材料設計、器件工程、器件結構與理論計算。

application of NIR in photodetectors

近紅外光在光電探測器的應用。

本文關鍵字:近紅外、Near-infrared、有機光伏、organic photovoltaic、有機太陽能電池、organic solar cell

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

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