近日，北京师范大学薄志山、青岛大学刘亚辉/齐峰和东华大学唐正的AMR述评文章“Suppressing Non-Radiative Energy Loss in Organic Solar Cells: Molecular Design and Device Engineering”在线发表。文章深入剖析了非辐射能量损失的作用机理以及对有机太阳能电池能量转换效率的影响，系统梳理了近期在抑制非辐射能量损失领域所取得的研究进展，并对未来推动该领域迈向更高水平的分子设计与器件工程策略进行了前瞻性展望。

关键词：有机太阳能电池，非辐射能量损失，分子设计，器件工程，能量转换效率

文章内容简介

有机太阳能电池（OSCs）作为一种极具前景的光伏技术，已受到广泛关注。得益于新型光伏材料的研发和器件工程的优化，其能量转换效率目前已突破20%。然而，相较于高性能无机太阳能电池，有机太阳能电池存在相对较高的能量损失，导致其开路电压偏低。其中，与载流子非辐射复合相关的能量损失是主要的损失途径，严重制约了其性能的进一步提升。鉴于此，我们系统探讨了有机太阳能电池中的非辐射能量损失内在机制，并全面总结了我们研究团队聚焦分子设计与器件工程两大方向，为抑制此类能量损失所采取的一系列策略。这些工作对推动有机太阳能电池效率突破20%的关键阈值发挥了重要作用，成为该领域发展进程中的重要里程碑。

本文首先讨论了非辐射复合的机理，指出给受体界面形成的单重激发态与电荷转移态的动力学及光电特性对非辐射能量损失具有重要影响。结合课题组的前期研究工作，我们将减少非辐射能量损失的设计原则总结如下：（1）采用固体添加剂与三元共混策略——可精确调控分子堆积特性，优化活性层形貌结构。经过该调整，电荷转移态特性显著改善，从而有效降低了非辐射能量损失。（2）提升分子平面性——有助于抑制分子振动、降低重组能，同时提高材料的荧光量子产率（PLQY）。这些因素的协同作用降低了非辐射能量损失，进而显著提升相应器件的光伏性能。（3）在受体中引入三维结构单元——可有效调控其聚集行为与分子堆积方式，从而抑制聚集诱导淬灭（ACQ）效应，提升受体的荧光量子产率。（4）对聚合物给体进行卤化处理与侧链工程——可以有效调节能级、降低给受体界面电荷转移驱动力、优化单重激发态与电荷转移态的动力学特性，能够显著降低非辐射能量损失。最后，我们从分子设计与器件工程的角度，提出了进一步抑制非辐射能量损失、推动有机太阳能电池光伏性能迈向新高度的可能策略。

您选择该领域的初心是？

作者团队：

随着社会的发展，能源消耗越来越大，对新型能源的开发成为了越来越重要的研究课题。有机太阳能电池以其质轻、柔性、可大面积印刷等优点吸引了广泛的关注，而限制有机太阳能电池走向应用的关键是效率、成本和稳定性等。有机太阳能电池领域是一个高度交叉的研究课题，需要材料、化学和物理多方面的协同合作，光伏器件里面的新分子、新工艺和新机制的研究充满了挑战，同时也充满了乐趣。

您认为该领域当前最值得关注的难点和热点是什么？

作者团队：

目前有机太阳能电池领域最为核心的问题仍然是光伏性能，其相比于无机太阳能电池仍存在一定差距。正如本文所言，进一步提高光伏性能需要考虑器件的能量损失，尤其是非辐射能量损失，其主要与器件的电荷转移态相关。然而目前领域的很多策略能够实现器件较低的非辐射能量损失，但是器件性能有时并未显著提升。如何从材料和器件的角度实现低非辐射能量损失及高光伏性能仍然是有机太阳能电池领域的难点及热点问题。

作者团队简介

薄志山，北京师范大学教授，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，国务院政府特殊津贴获得者、“能量转换与存储材料北京市重点实验室”主任、教育部创新团队带头人，先后承担了国家重大研究计划项目、基金委重点项目、科技部863项目、科技部973项目（课题负责人）、面上项目等十几项研究项目。已经培养博士毕业生数十名，其中8人入选国家级青年人才，培养科研院所研究院及高校教授10余人。主要从事光电功能材料的设计及其在发光、有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等领域的应用，在国际重要学术期刊发表学术论文300余篇。

唐正，东华大学教授，入选国家级青年人才，上海市“浦江人才”。2014年博士毕业于瑞典林雪平大学生物与有机电子专业，2014至2016年在林雪平大学应用物理系从事博士后、助理教授工作，2016-2017年在德国德累斯顿工业大学应用光物理系任洪堡学者。2018年1月加入东华大学，任先进低维材料中心“智能有机光电”平台召集人、“有机光电器件”课题组组长，聚焦有机光伏、光电探测及柔性电子技术等领域系统推进基础应用研究。主持参与国家自然科学基金面上项目、重点项目及上海市科委浦江人才项目、面上项目；以通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.等期刊上发表论文60余篇。

刘亚辉，青岛大学教授，山东省优青，泰山学者青年专家，Science China Chemistry青年编委，物理化学学报青年编委，JMCA Emerging Investigators。2013年于北京师范大学获得学士学位，2018年于北京师范大学获得博士学位（导师：薄志山教授）。2020年入职青岛大学，现为青岛大学二层次特聘教授。主持国家自然科学基金面上项目（2项）、青年项目，作为研究骨干参加国家重点研发计划。主要从事有机光电材料与器件的研究，如有机太阳能电池关键材料、钙钛矿太阳能电池空穴传输材料等，开发了多种非富勒烯受体材料，共轭聚合物给体材料等，做出了系列原创性的科研工作，受到领域的广泛关注。

齐峰，副教授，硕士生导师，青岛大学特聘教授，山东省泰山学者青年专家。2023年毕业于香港城市大学获得博士学位，师从香港城市大学任广禹（Alex K.-Y. Jen）教授。2024年加入青岛大学材料科学与工程学院/功能染料与应用技术研究院。主要从事有机光电材料与器件的研究。现主持国家自然科学基金青年项目、山东省自然科学基金青年项目以及青岛市自然科学基金青年项目。相关成果共发表SCI论文40篇，其中以第一/共同第一作者发表论文16篇，包括Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Energy Lett.等领域知名期刊论文。

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Suppressing Non-Radiative Energy Loss in Organic Solar Cells: Molecular Design and Device Engineering

Feng Qi, Yahui Liu*, Zheng Tang*, and Zhishan Bo*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.5c00291

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