华盛顿大学Alex K-Y Jen团队Adv. Mater.：钙钛矿太阳能电池PK有机太阳能电池，何不双剑合璧？

有机太阳能电池（OPV）与钙钛矿太阳能电池（PSC）作为新型的清洁能源转换手段，由于可制备成柔性、可印刷加工的器件而受到全球材料、能源、物理等领域相关科学家的关注。相比于有机太阳能电池，钙钛矿电池的发展趋势可谓愈加突飞猛进，在短短几年内其光电转换效率就从9.7%达到22.1%。但是，在近两年报道的高效PSC的吸收边通常为800 nm左右，这限制了其对太阳光谱中近红外光区的吸收，造成了太阳能量的浪费。

拓宽PSC的吸收主要有两种途径：（1）设计调控钙钛矿的配方，常常采用引入Sn原子；（2）叠层电池，即通过将两层电池（一层为窄吸收，另外一层为宽吸收）串联在一起的策略。但是，这两种途径都有明显的缺陷：策略1中含有Sn的配方容易发生氧化，导致相应电池的稳定性出现下降；而策略2中叠层电池器件工艺非常繁冗，会导致成本的大幅度增加，不适合大规模批量生产。

在OPV领域，尽管光电转换效率不如钙钛矿电池，但是却不乏吸收达到近红外区的材料。那么，是否能够将PSC与OPV的优势紧密结合，来克服高效钙钛矿电池的缺陷？是否可以同时保持原有PSC的开路电压、填充因子（FF），而通过进一步提高短路电流以增大光电转换效率？

Alex K-Y Jen教授。图片来源：University of Washington

最近，美国华盛顿大学Alex K-Y Jen教授研究团队巧妙的变换思路，采用非常简单的工艺，设计制备了OPV/PSC杂化电池，解决了高效PSC在近红外区缺乏吸收的缺陷，并对杂化电池中高填充因子、高短路电流以及高开路电压的原因展开了细致研究。这一工作发表在Advanced Materials 杂志上，为进一步提高OPV与PSC这两种电池光电转换效率、突破现有的效率瓶颈提供了新思路。

图1. a）OPV/PSC杂化电池的器件结构；b）杂化电池中相关材料的能级图；c）杂化电池的扫描电镜。图片来源：Adv. Mater.

作者制备的OPV/PSC杂化电池的器件结构如图1a所示，采用的是平面异质结的正装器件，与传统器件结构不同的是，作者巧妙的将PSC中的空穴传输层更换成OPV的活性层（给受体材料的体相异质结）。器件中相关材料的能级示意图（如图1b）中可以看到，有机太阳能电池层的给体材料DPPZnP-TSEH的HOMO能级为-5.20 eV，与钙钛矿的价带非常匹配，匹配优良的能级不仅有利于空穴的提取及传输，也能降低界面间的能量损失。

对于杂化电池的开路电压能够保持原有PSC的高开路电压，而没有受OPV层小电压的限制，作者引用了准费米能级压制模型进行解释。

杂化电池中的有机电池层所用到的给体材料（图2a）以卟啉为核，两侧是DPP单元，中间通过炔键进行桥联，而侧链采用烷基链的硫化物进行修饰。该材料在溶液剂薄膜处的吸收如图2b所示，薄膜吸收覆盖了紫外-可见-近红外区，正是其800-900 nm范围内较强的吸收可以弥补PSC在近红外区的吸收。

图2. a）有机太阳能电池层用到的给体材料；b）该材料在溶液剂薄膜中的吸收。图片来源：Adv. Mater.