電子産品可以貼身穿戴監控各項健康指标，超薄柔屏電視和智能手機可以任意折疊用于顯示，有機電子感應材料用于制造人造皮膚以治療灼傷……這些科幻電影場景逐漸出現在科研實驗室裡，未來也必将一步一步走進日常的生活，而這一切都得益于有機電子學的迅猛發展。

突破想象—當有機光伏遇到建築設計、物聯網、可穿戴設備

高性能碳基半導體的發展使有機光伏（OPV）成為過去幾年替代能源的重要來源。新開發的用于 OPV 的活性材料無毒，可實現成本效益和環保的卷對卷制造，與傳統光伏的制造過程相比能耗低幾個數量級。因此，與其他太陽能技術相比，OPV 系統的投資回報時間要快得多。OPV 模塊是薄而柔性的層壓闆，可以輕松添加到各種基闆和建築材料中。此外，OPV 系統不會因典型的室外條件（例如漫射光和高溫）而導緻性能下降。柔性材料的多功能性能夠創建滿足特定要求的模塊化設計，包括對顔色、形狀和透明度的選擇。這使得 OPV 能夠滿足産品設計師和架構師所需的更多功能和美學要求。在米蘭世博會 OPV 太陽能樹設計中，OPV 技術被用于制造 超過250 平方米的柔性電力系統，實現了美學與科技的結合（如圖1所示）。

圖1. 米蘭世博會 OPV 太陽能樹

物聯網（IoT）正在迅速發展并将日常物理電子儀器連接到互聯網，以便于識别其他設備并與之聯通。物聯網因其對生活質量的潛在積極影響以及有望帶來的大量新商機而引起了人們極大的興趣。物聯網發展的一個關鍵技術先決條件是開發人員能夠使用具有成本效益、低能耗和免維護的電源創建創新的硬件基礎設施，并應用于辦公室、人類健康和零售等方面。光伏（PV）技術被視為物聯網潛在的能量收集系統，因為它在小型化和獨立于電網的應用中具有低功率輸出和便攜性的潛力。

由于這些原因，人們對 OPV 作為建築元素、物聯網和可穿戴設備的能源的興趣正在增加。在這裡，我們将會概述 OPV 材料設計方面的一些最新進展。

OPV太陽能電池設計

溶液加工的有機光伏系統首先由 Heeger 和 Sariciftci 進行測試。異質結（BHJ）概念後來被開發出來，以最小化激發子必須擴散的平均路徑長度，同時最大化設備内的光吸收。現代合成技術的快速發展，結合芳烴系統分子工程工具的開發，賦予了BHJ太陽能電池設計、研發的多樣性和可變性。在過去的 20 年裡，實驗室中的 BHJ 太陽能電池效率大幅度提升，OPV 現在正在産生巨大的商業利益，并有望對許多大大小小的新應用産生巨大的影響。

BHJ 概念

BHJ 太陽能電池通過對後續層進行塗層或印刷來制造，以形成多層堆疊，其中每一層在電荷産生、分離或提取中發揮特定作用。由于每一層都是用可溶性成分的墨水印刷的，因此每一層的設計都必須避免下層的溶解——這種特性被稱為正交性。BHJ 太陽能電池存在兩種主要的器件配置，通常稱為标準架構和倒置架構（圖2）。

圖2. 常見标準和倒置 BHJ 太陽能電池架構示意圖。

OPV材料開發

在過去的 20 年中，OPV 材料領域取得了巨大的進步。這些改進是對 OPV 器件工作原理的更好理解和開發新的、更合适的有機材料的結果。由于 BHJ 是供體（設計用于轉移空穴）和受體（設計用于轉移電子）材料的混合物（圖3），因此交錯的設計可以有效地将激子分離為自由電荷。通常，BHJ 由聚合的、低聚的或确定的小分子、π 共轭供體和富勒烯受體組成。

圖3. OPV 的工作原理是使用最高占據分子軌道（HOMO）和最低未占據分子軌道（LUMO）之間的差異概念創建供體聚合物的帶隙（同樣适用于低聚物和小分子）。

當與富勒烯衍生物共混時，最佳供體聚合物具有：（1）最高占據分子軌道（HOMO）能級低于 -5.1 eV，以确保聚合物：富勒烯/小分子界面處的空氣穩定性和有效電荷分離，從而産生高開路電壓（Voc）；（2）-3.6 至 -4.0 eV 範圍内的最低未占分子軌道（LUMO）能級，以産生足夠的驅動力來促進激子解離；以及（3）相對較低的能帶隙（1.2 至 1.9 eV），具有寬吸收光譜，可吸收盡可能多的太陽光，從而産生高閉合或短路電流。此外，材料應易于溶于常見的非氯化有機溶劑，以使其易于加工。有兩種主要方法用于實現低帶隙共轭材料。第一個涉及摻入促進激發态形成醌式結構的單元；第二種方法是基于在材料骨架中加入交替的供電子部分和電子接受部分（圖4）。

圖4. 低帶隙 OPV 材料的設計原理

通常，聚合物的 HOMO 能級來源于富電子部分，而 LUMO 能級來源于缺電子單元。這種方法可以非常精确地調整所得材料的能級和溶解度曲線。

OPV材料可以通過各種過渡金屬催化的交叉偶聯反應合成。圖5 中顯示的三種主要方法用于合成這些半導體聚合物。

圖5. 用于 OPV 聚合物的聚合反應

OPV 技術為需要能量收集系統的産品提供了關鍵支持。與現有的電源替代品相比，OPV 在性能、環境友好性、設計定制和外形尺寸方面都有額外的意義。迄今為止，OPV 技術的首批應用已經開始出現，安裝在智能建築、城市外牆和薄膜、室内/低光産品以及可穿戴設備和便攜式設備中。可以預見的是，OPV 系統的持續改進将進一步使其能夠應用于更廣泛的市場中，包括零售、工作場所、家庭和交通等。

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有機發光二極管（OLED）材料

電子傳輸和空穴阻擋材料

空穴傳輸 (HT) 和空穴注入層 (HIL) 材料

主體材料

發光體和摻雜劑

發光聚合物

合成前體

有機場效應晶體管（OFET）材料

n-型有機半導體

p-型有機半導體

絕緣體材料

合成前體

有機光伏（OPV）材料

給體材料

有機給體

聚合物給體

受體材料

基于富勒烯的受體

非富勒烯受體

緩沖層材料

FTO導電基闆

合成前體

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