有機太陽能電池中實現光電轉化的核心是由電子給體、受體材料組成的二元共混薄膜，但是受限于有機光伏材料“窄吸收”特性，二元共混薄膜難以實現對太陽能的寬光譜利用，并且始終存在共混（利于激子解離）和相分離（利于電荷傳輸）這對基礎性矛盾，從而限制了有機光伏器件效率的進一步突破。

研究人員發展了疊層電池和三元電池技術。有機疊層太陽能電池通過串聯吸收光譜互補的子電池來拓寬太陽光吸收，減少有機太陽能電池熱損耗偏高的問題。然而疊層電池制備工藝復雜，不利于未來有機太陽能電池的低成本產業化。三元有機太陽能電池保持了單節電池結構，在二元活性層中引入吸收互補的第三組分，拓寬光譜吸收。然而，盡管三元電池取得了一定成功，但仍面臨著嚴峻的挑戰。公認的核心問題是對三元共混薄膜難以實現清晰、有效的形貌控制，以保證同時實現高效的激子解離和電荷傳輸，因此，已報道三元電池性能提升幅度普遍偏低。

2015年以來，中國科學院化學研究所朱曉張研究員（點擊查看介紹）課題組基于A-Q-D-Q-A分子設計新理念發展了系列高性能噻吩并[3,4-b]噻吩 [1]類光伏給受體新材料 [2-4]。近日，他們聯合上海交通大學劉烽特聘研究員（點擊查看介紹）和瑞典Linkoping Univerity（林雪平大學）張鳳玲教授（點擊查看介紹）課題組在三元有機太陽能電池活性層形貌控制方面取得突破性進展。他們基于課題組前期發展的小分子電子受體材料NITI，合理選擇二元體系，構筑了具有“分級結構”（hierarchical） 的三元活性層形貌，實現了光電轉化效率的大幅提升，闡釋了形貌對光電過程和器件參數的決定性影響。相關論文發表在 Nature Energy 雜志上，朱曉張研究員課題組博士研究生周子春和助理研究員許勝杰為共同第一作者。

三元共混薄膜分別選取了強結晶、寬帶隙電子給體材料BTR，弱結晶、窄帶隙電子受體材料NITI，以及具有自聚集和優異電子傳輸特性的富勒烯受體PC71BM，三者形成了梯度電子結構和互補光吸收。經器件優化制備，上述三元器件在300 nm理想膜厚下取得最高13.63%（平均 13.20%）光電轉換效率，相對于對應的二元器件性能提升幅度高達51%和100%。這不僅是全小分子太陽能電池光電轉化效率的最高性能記錄，也是性能最優的厚膜（>200 nm）有機太陽能電池。

通過掠入射X射線衍射（GIWAXS）、明場（BF）和高角環形暗場（HAADF）STEM電鏡、共振軟光X射線散射（RSoXS）技術探測活性層微觀形貌，結合熒光光譜（PL）和電致發光光譜（EL）提出“分級結構”的三元活性層新形貌：NITI和BTR高度共混，形成有利于電荷分離的小相分離精細結構，PC71BM在BTR和NITI共混區外圍形成大尺度的相分離結構和有利的face-on堆積。研究者證明NITI受體在光電過程中發揮了重要作用，它限制了BTR和PC71BM的直接接觸，使得三元器件獲得了和二元器件（BTR:NITI）相當的低開路電壓損失；被NITI擠出的PC71BM在活性層中形成了連續的電子傳輸高速通路，將NITI分離的電子有效輸運至收集電極，從而同時保證了高的外量子效率（EQE）和填充因子（FF）。該工作設計并證實了三元有機電池活性層新形貌，充分發揮了D-A型小分子和富勒烯電子受體在有機太陽能電池中的獨特優勢，同時實現了高開路電壓、高電流和高填充因子，為有機三元電池活性層形貌調控提供了新思路。

參考文獻：
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來源：x-mol 網