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新聞網訊 我校材料科學與工程學院王逸凡副教授等人在材料學頂級期刊《Advanced Materials》（影響因子32.086）上發表題為“Quasi-Homojunction Organic Nonfullerene Photovoltaics Featuring Fundamentals Distinct from Bulk Heterojunction”的論文。（Adv. Mater.,https://doi.org/10.1002/adma.202206717）

有機太陽能電池具有可印刷制備、重量輕、柔性、半透明等優點，是一種很有前途的下一代光伏技術。近年來，隨著以ITIC和Y6為代表的稠環電子受體材料的發展，有機太陽能電池發展迅速。然而，由于大多數有機半導體具有較低的介電常數(ε = 3~4)，因此在光激發下會產生具有高結合能而非自由電荷的Frenkel激子。激子解離依賴于給/受體界面提供的驅動力，因而足夠的給/受體界面是必不可少的。前期研究表明，給/受體相分離尺寸約為10~20 nm的本體異質結是有效激子解離和電荷輸運的最佳形貌。因此，大多數高效有機太陽能電池的給體和受體含量大致相等。然而，BHJ結構的形貌敏感性可能導致加工復雜性、固有能量損失和形貌不穩定性，這些都限制了器件的性能和重復性。近年來的研究發現，Y6具有較高的雙極性遷移率，有利于電子和空穴輸運。另外，有報道表明Y6可以在沒有給/受體界面的幫助下，本征產生自由載流子。基于此，作者提出了一種新型的準同質結有機太陽能電池。區別于傳統的本體異質結太陽能電池，QHJ太陽能電池活性層由極少量(≤10 wt%)的給體與占絕大部分的受體材料組成。

作者系統地研究了基于不同聚合物給體和稠環電子受體的QHJ有機太陽能電池。研究發現，基于PTB7-Th:Y6的有機太陽能電池在給/受體質量比為1:8或1:20時，可分別保留95%或64%的最優化器件（給/受體比為1:1.2）的能量轉換效率。并且，這種QHJ太陽能電池形貌穩定性大大優于傳統BHJ器件。有趣的是，當給體濃度降低時，基于其他給體或稠環電子受體的器件的能量轉換效率會急劇下降。基于超快瞬態吸收、電流感應原子力顯微鏡和軟X射線形貌表征等測試分析手段，作者展示了高效QHJ太陽能電池的工作機理。在基于PTB7-Th:Y6的QHJ中，很大一部分自由電荷本質上是在純Y6相中產生的，而不是在給受體界面。Y6還起到了雙極性運輸通道的作用，使得在給體量很少的情況下實現了高效的空穴輸運。作者還比較了基于PTB7-Th:Y6的QHJ與基于PM6:Y6的QHJ。PTB7-Th:Y6 QHJ的器件性能優于PM6:Y6 QHJ，主要得益于PTB7-Th:Y6 QHJ中更高的Y6相純度，從而促進了電荷輸運，通過四極場增強了能帶彎曲，并減少了界面上的載流子復合。少量PTB7-Th的主要作用是防止電荷復合，增強Y6內部的四極場，這與傳統給體的作用是完全不同的。

這項工作突破了經典的本體異質結有機太陽能電池結構，克服了本體異質結的部分缺點。在準同質結有機太陽能電池中，可以通過提高本征電荷的產生和減少電荷重組來實現高器件效率，而不僅僅是依賴于給受體界面上的激子解離。這種新的器件結構也有利于一些其他應用，如半透明有機太陽能電池和近紅外光電探測器。

我校材料科學與工程學院王逸凡副教授是論文的第一作者，青島大學材料科學與工程學院是第一單位，北京大學占肖衛教授是通訊作者。合作者還包括新西蘭惠靈頓維多利亞大學Justin M. Hodgkiss課題組、美國雪城大學Quinn Qiao課題組、東華大學唐正課題組、西安交通大學馬偉課題組。

QHJ非富勒烯有機太陽能電池基本工作機理

論文信息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi.org/10.1002/adma.202206717

Quasi-Homojunction Organic Nonfullerene Photovoltaics Featuring Fundamentals Distinct from Bulk Heterojunction

Yifan Wang, Michael B. Price,* Raja Sekhar Bobba, Heng Lu, Jingwei Xue, Yilin Wang, Mengyang Li, Aleksandra Ilina, Paul A. Hume, Boyu Jia, Tengfei Li, Yuchen Zhang, Nathaniel J.L.K. Davis, Zheng Tang, Wei Ma, Quinn Qiao, Justin M. Hodgkiss, Xiaowei Zhan*