贵州大学谢远鹏、谢海波AFM：天然材料制备可持续有机太阳能电池的现状与挑战

第一作者：谢远鹏

通讯作者：谢远鹏，谢海波

单位：贵州大学材料与冶金学院

有机光伏的能量转换效率已超过19%，达到其商业应用的门槛。除了追求高效率以外，其商业化应用还需考虑材料成本等问题。然而，有机光伏中使用的有机材料通常是石油基合成材料，存在成本高且不可再生等缺点，不符合商业化的要求。相比之下，天然材料具有成本低、可降解和可再生等显著优势。因此，最近几年采用天然材料来制备低成本、可持续有机光伏吸引了广泛的关注。

基于此，贵州大学材料与冶金学院谢远鹏特聘教授、谢海波教授等在国际知名期刊Advanced Functional Materials发表了题为“Natural Materials for Sustainable Organic Solar Cells: Status and Challenge”的综述文章。该文综述纤维素、壳聚糖和木质素等天然材料作为有机太阳能电池柔性基底、阴极界面材料和阳极界面材料的最新研究进展，总结了其面临的挑战以及潜在的解决方法。

图1 纤维素、壳聚糖和木质素等天然材料作为有机光伏的柔性基底材料、阴极界面材料和阳极界面材料

图2 （a）纤维素聚集态结构，(b) 纤维素纤维扫描电镜图（c, d）基于普通纸张的柔性有机太阳能电池结构及实物图。

与其他无机光伏相比，柔性是有机太阳能电池最具竞争力的优势。PET, PEN和PES等塑料作为常用的柔性基底材料，具有优异性能的同时，也有着明显缺点。一方面，由于塑料的难降解性，器件失效后会对环境造成“白色污染”；另一方面，石油基柔性基底成本高，占有机太阳能电池材料成本的10-25%。

为了解决材料成本与环境污染的问题，天然材料进入人们的视野。其中，天然纤维，如纤维素和纤维蛋白，具有优异的透光性、机械柔性、低成本和可再生等优点，是理想的柔性基底材料。通过控制材料的微观结构，如纤维素纤维（CF）、纤维素纳米纤维（CNF）和纤维素纳米晶（CNC），可有效调节基底材料的透光性（80-90%）、表面粗糙度以及力学强度等物理性能，并进一步影响柔性器件的性能。

要点二：天然材料作有机太阳能电池阴极界面材料

图3 壳聚糖、葡萄糖和多肽等天然材料作有机太阳能电池阴极界面材料

纤维素、壳聚糖、多肽和氨基酸等天然材料具有丰富的羟基（-OH）和氨基 (-NH₂)，这些极性基团可以和透明电极ITO或者金属电极（Al和Ag）产生界面偶极，降低电极的功函数，最终实现电子的提取。因此，天然材料可以单独作电子传输材料用于制备正向/反转有机太阳能电池，也可以作为ZnO修饰层用于制备反转器件。

要点三：天然材料作有机太阳能电池阳极界面材料

图4 （a）木质素结构举例，（b, c）PEDOT:木质素磺酸盐化学结构

造纸行业每年会生产大量的木质素，然而这些木质素被当作低附加值的燃料或者直接废弃，这显然是一种资源浪费，如何对其进行充分利用是严峻挑战。其中，作为造纸工业副产物的木质素磺酸盐具有共轭结构并含有丰富的酚羟基和磺酸基。一方面，酚羟基的氧化过程可以实现空穴的转移，使得共轭结构的木质素具有弱导电性；另一方面，磺酸基可提供质子，用于分散PEDOT。因此PEDOT:木质素磺酸盐可作为阳极界面材料，实现空穴的传输，成为PENOT:PSS材料的替代品。

要点四：总结和前瞻

虽然学术界投入了大量精力去调控纤维素的形貌来优化柔性基底的表面质量、透光性和机械性能，然而其效果不容乐观。当前基于纤维素基底的柔性器件最优性能只有7.5%，远低于基于商业化塑料基底的15%。

作者认为，前期的工作忽略了三个重要因素，其一是在制备有机太阳能电池过程中，需要用到水、醇类、氯仿或者甲苯等溶剂，这要求柔性基底必须具备良好的抗溶剂性；其二是在制备有机太阳能电池过程中，活性层材料和界面材料需要高温（100-140 ◦C）退火来去除溶剂和优化形貌，因此柔性基底必须具备良好的热稳定性。其三是在卷对卷的制备工艺中，柔性基底应可以抵抗外力而不变形。要实现上述性能，可以采用化学修饰或者复合材料的策略。

对于天然基界面材料而言，主要依靠其极性基团与金属电极发生相互作用，然而其材料本身是非共轭绝缘的，在根本上决定了其低的载流子迁移率和厚度敏感性。因此基于天然界面材料的器件性能最高只有16%，远低于基于NDIO和PNDITF3N的19%。作者认为可通过选用共轭的天然材料或者化学接枝的方式来增加天然界面材料的P-型导电能力和N-型导电能力。

Natural Materials for Sustainable Organic Solar Cells: Status and Challenge

谢远鹏，1992年生，博士，贵州大学材料与冶金学院特聘教授，硕士生导师。2021年博士毕业于北京航空航天大学化学学院，研究方向高效率有机光伏器件。目前以通讯作者/第一作者身份在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Science China Chemistry等著名期刊上发表论文9篇，合作论文13篇。

贵州省百层次创新型人才,贵州省生物基高分子新材料科技创新人才团队负责人,中国化学会纤维素专业委员会委员。在 Green Chem., Biomacromolecules 等杂志共发表 SCI 论文 80 余篇，累计他引 3100 余次。获教育部高校“双带头人”教师党支部书记工作室、2021 年贵州省五一劳动奖章、中国林学会“梁希”青年论文三等奖；中国化工学会“离子液体与绿色过程”青年创新奖；辽宁省自然科学二等奖，大连市技术发明一等奖；爱尔兰都柏林城市大学职业启动奖。

合作主编英文学术专著 1 部，参与撰写中英文专著 7 部；近 5 年申请中国专利 30 余项，其中授权专利 10 项。在重要国际、国内学术会议上做口头报告30余次，2009 年第 30 届美国环境毒理与化学年会“绿色生物炼制”分会，2015 泛太平洋地区化学会议（Pacifichem2015）木质素转化分会共同主席；中国化学会第一届全国纤维素学术研讨会纤维素绿色转化分会主席。

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