光电芯片是什么（你究竟了解多少）

本文来自X-MOLNews

电子产品可以贴身穿戴监控各项健康指标，超薄柔屏电视和智能手机可以任意折叠用于显示，有机电子感应材料用于制造人造皮肤以治疗灼伤……这些科幻电影场景逐渐出现在科研实验室里，未来也必将一步一步走进日常的生活，而这一切都得益于有机电子学的迅猛发展。

突破想象—当有机光伏遇到建筑设计、物联网、可穿戴设备

高性能碳基半导体的发展使有机光伏（OPV）成为过去几年替代能源的重要来源。新开发的用于 OPV 的活性材料无毒，可实现成本效益和环保的卷对卷制造，与传统光伏的制造过程相比能耗低几个数量级。因此，与其他太阳能技术相比，OPV 系统的投资回报时间要快得多。OPV 模块是薄而柔性的层压板，可以轻松添加到各种基板和建筑材料中。此外，OPV 系统不会因典型的室外条件（例如漫射光和高温）而导致性能下降。柔性材料的多功能性能够创建满足特定要求的模块化设计，包括对颜色、形状和透明度的选择。这使得 OPV 能够满足产品设计师和架构师所需的更多功能和美学要求。在米兰世博会 OPV 太阳能树设计中，OPV 技术被用于制造 超过250 平方米的柔性电力系统，实现了美学与科技的结合（如图1所示）。

图1. 米兰世博会 OPV 太阳能树

物联网（IoT）正在迅速发展并将日常物理电子仪器连接到互联网，以便于识别其他设备并与之联通。物联网因其对生活质量的潜在积极影响以及有望带来的大量新商机而引起了人们极大的兴趣。物联网发展的一个关键技术先决条件是开发人员能够使用具有成本效益、低能耗和免维护的电源创建创新的硬件基础设施，并应用于办公室、人类健康和零售等方面。光伏（PV）技术被视为物联网潜在的能量收集系统，因为它在小型化和独立于电网的应用中具有低功率输出和便携性的潜力。

由于这些原因，人们对 OPV 作为建筑元素、物联网和可穿戴设备的能源的兴趣正在增加。在这里，我们将会概述 OPV 材料设计方面的一些最新进展。

OPV太阳能电池设计

溶液加工的有机光伏系统首先由 Heeger 和 Sariciftci 进行测试。异质结（BHJ）概念后来被开发出来，以最小化激发子必须扩散的平均路径长度，同时最大化设备内的光吸收。现代合成技术的快速发展，结合芳烃系统分子工程工具的开发，赋予了BHJ太阳能电池设计、研发的多样性和可变性。在过去的 20 年里，实验室中的 BHJ 太阳能电池效率大幅度提升，OPV 现在正在产生巨大的商业利益，并有望对许多大大小小的新应用产生巨大的影响。

BHJ 概念

BHJ 太阳能电池通过对后续层进行涂层或印刷来制造，以形成多层堆叠，其中每一层在电荷产生、分离或提取中发挥特定作用。由于每一层都是用可溶性成分的墨水印刷的，因此每一层的设计都必须避免下层的溶解——这种特性被称为正交性。BHJ 太阳能电池存在两种主要的器件配置，通常称为标准架构和倒置架构（图2）。

图2. 常见标准和倒置 BHJ 太阳能电池架构示意图。

OPV材料开发

在过去的 20 年中，OPV 材料领域取得了巨大的进步。这些改进是对 OPV 器件工作原理的更好理解和开发新的、更合适的有机材料的结果。由于 BHJ 是供体（设计用于转移空穴）和受体（设计用于转移电子）材料的混合物（图3），因此交错的设计可以有效地将激子分离为自由电荷。通常，BHJ 由聚合的、低聚的或确定的小分子、π 共轭供体和富勒烯受体组成。

图3. OPV 的工作原理是使用最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）之间的差异概念创建供体聚合物的带隙（同样适用于低聚物和小分子）。

当与富勒烯衍生物共混时，最佳供体聚合物具有：（1）最高占据分子轨道（HOMO）能级低于 -5.1 eV，以确保聚合物：富勒烯/小分子界面处的空气稳定性和有效电荷分离，从而产生高开路电压（Voc）；（2）-3.6 至 -4.0 eV 范围内的最低未占分子轨道（LUMO）能级，以产生足够的驱动力来促进激子解离；以及（3）相对较低的能带隙（1.2 至 1.9 eV），具有宽吸收光谱，可吸收尽可能多的太阳光，从而产生高闭合或短路电流。此外，材料应易于溶于常见的非氯化有机溶剂，以使其易于加工。有两种主要方法用于实现低带隙共轭材料。第一个涉及掺入促进激发态形成醌式结构的单元；第二种方法是基于在材料骨架中加入交替的供电子部分和电子接受部分（图4）。

图4. 低带隙 OPV 材料的设计原理

通常，聚合物的 HOMO 能级来源于富电子部分，而 LUMO 能级来源于缺电子单元。这种方法可以非常精确地调整所得材料的能级和溶解度曲线。

OPV材料可以通过各种过渡金属催化的交叉偶联反应合成。图5 中显示的三种主要方法用于合成这些半导体聚合物。

图5. 用于 OPV 聚合物的聚合反应

OPV 技术为需要能量收集系统的产品提供了关键支持。与现有的电源替代品相比，OPV 在性能、环境友好性、设计定制和外形尺寸方面都有额外的意义。迄今为止，OPV 技术的首批应用已经开始出现，安装在智能建筑、城市外墙和薄膜、室内/低光产品以及可穿戴设备和便携式设备中。可以预见的是，OPV 系统的持续改进将进一步使其能够应用于更广泛的市场中，包括零售、工作场所、家庭和交通等。

当前沿科技与创新理念、艺术美学、功能实用激烈地碰撞，擦出新的火花。你是否还在为实验发愁？除了有机光伏材料，默克也为大家带来以下相关材料，为有机光电的研发提供一站式服务：

有机发光二极管（OLED）材料

电子传输和空穴阻挡材料

空穴传输 (HT) 和空穴注入层 (HIL) 材料

主体材料

发光体和掺杂剂

发光聚合物

合成前体

有机场效应晶体管（OFET）材料

n-型有机半导体

p-型有机半导体

绝缘体材料

合成前体

有机光伏（OPV）材料

给体材料

有机给体

聚合物给体

受体材料

基于富勒烯的受体

非富勒烯受体

缓冲层材料

FTO导电基板

合成前体