有机太阳电池具有材料来源广泛、价格低廉、重量轻等优点，最关键的是其具有优异的机械柔韧性，拥有比传统硬基底太阳电池更加广阔的应用前景（如各类不规则几何形状的可穿戴设备、柔性电子设备），成为光伏技术领域研究的热点之一。尤其在当下，各类室内的物联网电子设备蓬勃发展，亟需开发出能够高效将室内光源高效转化为电力的有机光伏器件。
由香港科技大学He Yan教授带领的研究团队设计制备了目前具有最高的占据分子轨道（HOMO）水平的窄禁带电子传输层（ETL）应用于非富勒烯有机太阳电池，有效地减少了器件的漏电流和载流子复合，从而显著提升电池性能，在室内光源辐照下获得了高达31%的转换效率。研究人员首先制备了在400到700纳米之间具备良好光吸收特性的体异质结块体共混物活性层；上述光谱恰好是室内LED光源发射光谱的主要区间。接着研究人员制备了具有不同HOMO的两种不同带隙宽度的ETL材料，分别为PDI-NO和PFN，前者的HOMO为-6.21 eV，后者的HOMO为-5.61 eV，即PDI-NO具有更深的HOMO。随后分别以上述两种ETL组装两种有机光伏器件并测试电压电流性能。实验发现，在1个标准的模拟太阳光辐照下，两种电池器件的转换效率基本一样，都在16%左右。接着将上述两种器件移至室内并辅以LED光源照射（光强度在1000-1750勒克斯，为市面销售LED灯光强度范围），实验结果显示，在1650勒克斯的光强度下基于PDI-NO的ETL电池器件的转换效率突破了30%，达到了惊人的31%；相反，采用PFN的ETL电池器件转换效率仅为22.5%。上述结果与在标准模拟光源下的实验结果具备了强烈的反差，为此研究人员进一步采用暗电流和阻抗谱等表征手段研究出现上述实验现象的潜在原因。实验发现，在室内LED光源辐照下，基于PFN的电池器件具备了更高的暗电流密度和更低的并联阻抗，意味该电池器件存在显著的漏电流；相反，PDI-NO器件的漏电流等到了显著抑制。上述差别在1个标准模拟太阳光辐照下，不会对器件性能引起显著影响，因为入射光强度远远强于这种负面的漏电流作用（光电流通常是漏电流的1000倍以上）。然而在室内LED辐照下，由于入射光强度显著下降，产生的光生载流子数量随之出现指数级下降（即光生电流出现指数级下降），此时漏电流的影响变得显著。此外，阻抗谱表征结果显示，PDI-NO器件载流子的复合显著少于PFN的电池器件。得益上述两个方面的改善，从而使得室内光照环境下基于PDI-NO电池器件性能得到了有效改善。
图 1 基于新型PDI-NO电子传输层有机光伏在不同室内光强度辐照下测试曲线
该项研究设计开发了新型的电子传输层，应用用于有机太阳电池，有效地抑制了电池漏电流和载流子复合，进而提升了电池性能，使得电池器件在室内光源辐照下获得了超过30%的性能，为日益增长的物联网电子设备市场高性能电源设计开发提供了全新的路径。相关研究成果发表在《Joule》[1]。
[1] Lik-Kuen Ma, Jie Zhang, Zhen Li, et al. High-Efficiency Indoor Organic Photovoltaics with a Band-Aligned Interlayer. Joule, 2020. DOI:10.1016/j.joule.2020.05.010
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