11月14日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院先進(jìn)材料科學(xué)與工程研究所光子信息與能源材料研究中心的張杰副研究員課題組聯(lián)合香港城市大學(xué)任廣禹教授團(tuán)隊(duì)與南京大學(xué)張春峰教授團(tuán)隊(duì)合作在Nature Energy上發(fā)表題為“Suppressed recombination loss in organic photovoltaics adopting a planar–mixed heterojunction architecture”的研究工作。
該工作使用瞬態(tài)吸收光譜（TAS）和分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算驗(yàn)證了不同器件架構(gòu)下，有機(jī)光伏器件中的光生載流子和激發(fā)態(tài)的動(dòng)力學(xué)過程，首次證實(shí)了器件工程方法可實(shí)現(xiàn)同一材料體系中的三線態(tài)激子（T1）調(diào)控，在不損失開路電壓（VOC）的情況下有效提升了短路電流（JSC），進(jìn)而突破傳統(tǒng)有機(jī)光伏器件中的電壓-電流平衡限制，實(shí)現(xiàn)了19%以上的光電轉(zhuǎn)換效率。相關(guān)研究結(jié)果揭示了有機(jī)光伏器件中T1與器件性能之間的關(guān)聯(lián)，為進(jìn)一步理解高性能有機(jī)光伏器件的構(gòu)效關(guān)系和效率優(yōu)化策略提供了新的視角方向。博士研究生蔣奎、張杰副研究員、鐘成副教授為文章共同第一作者，任廣禹教授、張春峰教授和Francis Lin博士為文章共同通訊作者。
有機(jī)太陽(yáng)能電池是一種可溶液低溫制備、兼容柔性卷對(duì)卷制備工藝以及透過光譜可調(diào)節(jié)的新一代薄膜光伏技術(shù)，其在分布式光伏、建筑光伏和農(nóng)業(yè)光伏等應(yīng)用場(chǎng)景具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但有機(jī)太陽(yáng)能電池較低的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）是當(dāng)前阻礙其進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸挑戰(zhàn)。受益于近年來(lái)聚合物給體和非富勒烯受體材料的發(fā)展，尤其是ITIC和Y6兩個(gè)明星分子的發(fā)現(xiàn)，有機(jī)太陽(yáng)能電池PCE迎來(lái)了飛速發(fā)展。當(dāng)前，如何使單結(jié)有機(jī)光伏器件PCE突破20%是有機(jī)光伏領(lǐng)域研究人員廣泛關(guān)注的重點(diǎn)研究方向。
有機(jī)光伏器件中的T1被廣泛認(rèn)為可顯著影響器件性能，因此對(duì)T1的調(diào)控機(jī)制以及其與器件性能的關(guān)聯(lián)是進(jìn)一步提升有機(jī)光伏器件性能的關(guān)鍵科學(xué)問題。人們通常使用分子工程對(duì)給受體材料改性，調(diào)控薄膜材料中的波函數(shù)和激發(fā)態(tài)能級(jí)等方式調(diào)控T1，并認(rèn)為T1與VOC相關(guān)聯(lián)。但相關(guān)工作往往基于不同的材料體系，研究對(duì)比不同材料體系中的T1信號(hào)強(qiáng)度和器件VOC大小，而器件VOC往往受各自材料體系中的多種因素影響，因此對(duì)T1的調(diào)控機(jī)制以及T1與器件性能的直接關(guān)聯(lián)仍不是十分清晰。
基于上述考慮，研究團(tuán)隊(duì)在同一材料體系中通過將器件架構(gòu)由傳統(tǒng)的體相異質(zhì)結(jié)（BHJ）變?yōu)槠矫婊旌袭愘|(zhì)結(jié)（PMHJ），通過TAS表征技術(shù)證實(shí)器件架構(gòu)的變化可顯著影響T1的形成。首先，研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用分子動(dòng)力學(xué)和TAS等方法發(fā)現(xiàn)D18聚合物以及Y6系列小分子薄膜中在受激發(fā)后局域激發(fā)態(tài)激子（LE）均會(huì)快速轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)激子束縛能更低的離域激子單線態(tài)（DSE），且該DSE可直接躍遷至電荷分離態(tài)以產(chǎn)生光生自由電子/空穴，即激子解離過程并非必須經(jīng)過在給受體界面處形成電荷轉(zhuǎn)移態(tài)（CT）。這一機(jī)制保證了PMHJ架構(gòu)器件中較少的給受體界面不會(huì)成為激子解離的限制瓶頸。
研究團(tuán)隊(duì)通過TAS測(cè)試發(fā)現(xiàn)在PMHJ架構(gòu)中的T1信號(hào)強(qiáng)度明顯弱于BHJ架構(gòu)的同時(shí)，自由載流子的激發(fā)態(tài)吸收信號(hào)（CS）有顯著增強(qiáng)，這顯示在PMHJ架構(gòu)中產(chǎn)生了更多的自由光生載流子。TAS測(cè)試的動(dòng)力學(xué)結(jié)果顯示T1產(chǎn)生于CS的生成之后，這表明PMHJ和BHJ器件中的T1來(lái)源于自由光生載流子在給受體界面處的雙分子復(fù)合行為。因此PMHJ架構(gòu)中較少的給受體接觸面積可以有效地降低受體中光生電子和給體中光生空穴在給受體界面處相遇發(fā)生雙分子復(fù)合的幾率，即在有機(jī)光伏器件的激發(fā)態(tài)演化過程中，由CS躍遷回3CT/1CT這一載流子損失過程可以由器件工程進(jìn)行有效阻斷。
與TAS實(shí)驗(yàn)顯示出的更低光生載流子雙分子復(fù)合幾率和更高光生載流子數(shù)量結(jié)果相一致，采用 PMHJ架構(gòu)的器件表現(xiàn)出比BHJ器件更高的JSC，與此同時(shí)，PMHJ和PMHJ具有幾乎相同的VOC，這表明（1）PMHJ器件具有更好的電壓-電流平衡；（2）在D18和Y6系列給受體材料體系中并未觀察到T1的形成或抑制與VOC之間的直接關(guān)聯(lián)。這一工作為進(jìn)一步理解T1與器件性能之間的機(jī)制，以及進(jìn)一步減少電壓-電流平衡限制實(shí)現(xiàn)更高能量轉(zhuǎn)換效率提供了新的思路。
該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委、香港創(chuàng)新科技署、香港研究資助局等部門的支持。
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有機(jī)光伏器件中的激發(fā)態(tài)演化過程示意圖和給受體分子的TAS以及理論計(jì)算結(jié)果
平面混合異質(zhì)結(jié)和體相異質(zhì)結(jié)中的T1等激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)過程
器件性能與光電壓損失分析
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