传输电阻主导纪录有机太阳能电池的填充因子损失
Transport Resistance Dominates the Fill Factor Losses in Record Organic Solar Cells
文献摘要
有机光伏（OPV）是一种很有前景的太阳能电池技术，非常适合采用卷对卷工艺进行大规模生产。实验室规模太阳能电池的效率已超过20%，目前人们相当关注理解和尽量减少阻碍更高效率的剩余损失机制。虽然近期的效率提升部分归功于降低了开路下的非辐射复合损失，但由于显著的传输电阻而导致的低填充因子（FF）正成为OPV的致命弱点。传输电阻一词指的是低迁移率材料中与电压和光强相关的电荷收集损失。在这篇展望文章中，我们证明，即使迄今为止报道的最高效率有机太阳能电池（OSC）也存在显著的性能损失，这些损失可归因于传输电阻，并导致高的FF损失。文章对传输电阻以及影响它的材料性质进行了更仔细的考察。通过提供易于遵循的说明，描述了如何通过实验表征和量化传输电阻。此外，还详细介绍了传输电阻背后的原因和理论。特别是，整合了相关的品质因数（FoM）以及关于传输电阻的不同观点。最后，我们概述了未来太阳能电池中可用来最小化这些电荷收集损失的策略。
英文摘要
Abstract Organic photovoltaics (OPV) are a promising solar cell technology well‐suited to mass production using roll‐to‐roll processes. The efficiency of lab‐scale solar cells has exceeded 20% and considerable attention is currently being given to understanding and minimizing the remaining loss mechanisms preventing higher efficiencies. While recent efficiency improvements are partly owed to reducing non‐radiative recombination losses at open circuit, the low fill factor ( FF ) due to a significant transport resistance is becoming the Achilles heel of OPV. The term transport resistance refers to a voltage and light intensity‐dependent charge collection loss in low‐mobility materials. In this perspective, it is demonstrated that even the highest efficiency organic solar cells (OSCs) reported to‐date have significant performance losses that can be attributed to transport resistance and that lead to high FF losses. A closer look at the transport resistance and the material properties influencing it is provided. How to experimentally characterize and quantify the transport resistance is described by providing easy to follow instructions. Furthermore, the causes and theory behind transport resistance are detailed. In particular, the relevant figures of merit (FoMs) and different viewpoints on the transport resistance are integrated. Finally, we outline strategies that can be followed to minimize these charge collection losses in future solar cells.
解读
这篇论文在做什么
这篇发表在《Advanced Energy Materials》上的展望文章讨论的是有机太阳能电池（OSC）的填充因子（FF）损失问题。文章指出，实验室规模有机光伏的效率已经超过20%，近期的效率提升有一部分来自降低开路条件下的非辐射复合损失，但低填充因子正成为这类电池的致命弱点。作者把造成这一损失的根源归结为传输电阻，即低迁移率材料中与电压和光强相关的电荷收集损失。文章的核心论点是：即便是目前报道的效率最高的有机太阳能电池，也存在显著的性能损失，这些损失可以归因于传输电阻，并直接表现为较高的FF损失。文章还围绕传输电阻展开了几方面工作：考察影响传输电阻的材料性质，给出如何通过实验表征和量化传输电阻的易于遵循的操作说明，详细解释传输电阻背后的原因和理论，整合相关的品质因数以及关于传输电阻的不同观点，最后概述未来电池中减小这类电荷收集损失的策略。摘要没有给出具体的材料体系、器件结构、测试数值或图表信息，因此这些细节无法从摘要中得知。
和这页课件的关系
这页课件属于第二章第六节太阳能电池的前景与挑战，正文里讲到有机太阳能电池的优势在于可以在柔性基底上进行低成本卷对卷生产，在柔性和颜色上有广泛的材料选择范围，主要分为小分子太阳能电池和高分子/富勒烯太阳能电池；还讲到有机材料介电系数偏低，光子激发的空穴电子对之间有很强的库仑力，通常采用异质结光吸收层来分离电子-空穴对并提取载流子，异质结由高分子和富勒烯混合形成互相交错的网状结构；课件也提到目前有机太阳能电池的电压和电流都相对较低，并给出电压损耗比率v=0.57、j=0.82，指出电压流失是主要问题之一。这篇论文讲的不是上述某一具体材料或结构，而是有机太阳能电池中填充因子损失这一效率瓶颈，与课件同属有机太阳能电池的效率讨论，但侧重点不同：课件强调电压和电流偏低以及异质结形态、激子分离、电子迁移等方向，论文则把传输电阻导致的电荷收集损失单独提出来作为限制FF的关键因素。课件正文没有出现传输电阻、填充因子损失、品质因数这些概念，因此不能把论文当作这页课件所举的例子，两者是同一大类器件下不同角度的讨论。
读的时候抓住什么
阅读时先抓住传输电阻的定义：它是低迁移率材料中与电压和光强相关的电荷收集损失，而不是简单的串联电阻，这一点决定了后面分析FF损失的思路。其次要抓住论文的论证链条：效率提升部分来自降低开路非辐射复合损失，但FF仍低，原因指向传输电阻，连最高效率的有机太阳能电池也不能幸免。再次要抓住文章作为展望的性质，它的贡献不只是报告一个现象，而是把传输电阻的表征方法、理论原因、品质因数和不同观点整合到一起，并给出减小电荷收集损失的策略。结合课件，可以把这条线索接到有机材料介电系数低、激子结合能强、需要异质结分离电荷这些背景上：电荷产生之后能否被有效收集，正是传输电阻要回答的问题。摘要没有说明具体用什么器件、什么材料或什么数值来量化传输电阻，读正文时需要自己留意这些实验细节，不要从摘要里推断。