我校​王逸凡副教授在材料学顶刊《AdvancedMaterials》上发表论文

我校材料科学与工程学院王逸凡副教授等人在材料学顶级期刊《Advanced Materials》(影响因子32.086)上发表题为“Quasi-Homojunction Organic Nonfullerene Photovoltaics Featuring Fundamentals Distinct from Bulk Heterojunction”的论文。(Adv. Mater.,https://doi.org/10.1002/adma.202206717)

有机太阳能电池具有可印刷制备、重量轻、柔性、半透明等优点，是一种很有前途的下一代光伏技术。近年来，随着以ITIC和Y6为代表的稠环电子受体材料的发展，有机太阳能电池发展迅速。然而，由于大多数有机半导体具有较低的介电常数(ε = 3~4)，因此在光激发下会产生具有高结合能而非自由电荷的Frenkel激子。激子解离依赖于给/受体界面提供的驱动力，因而足够的给/受体界面是必不可少的。前期研究表明，给/受体相分离尺寸约为10~20 nm的本体异质结是有效激子解离和电荷输运的最佳形貌。因此，大多数高效有机太阳能电池的给体和受体含量大致相等。然而，BHJ结构的形貌敏感性可能导致加工复杂性、固有能量损失和形貌不稳定性，这些都限制了器件的性能和重复性。近年来的研究发现，Y6具有较高的双极性迁移率，有利于电子和空穴输运。另外，有报道表明Y6可以在没有给/受体界面的帮助下，本征产生自由载流子。基于此，作者提出了一种新型的准同质结有机太阳能电池。区别于传统的本体异质结太阳能电池，QHJ太阳能电池活性层由极少量(≤10 wt%)的给体与占绝大部分的受体材料组成。

作者系统地研究了基于不同聚合物给体和稠环电子受体的QHJ有机太阳能电池。研究发现，基于PTB7-Th:Y6的有机太阳能电池在给/受体质量比为1:8或1:20时，可分别保留95%或64%的最优化器件(给/受体比为1:1.2)的能量转换效率。并且，这种QHJ太阳能电池形貌稳定性大大优于传统BHJ器件。有趣的是，当给体浓度降低时，基于其他给体或稠环电子受体的器件的能量转换效率会急剧下降。基于超快瞬态吸收、电流感应原子力显微镜和软X射线形貌表征等测试分析手段，作者展示了高效QHJ太阳能电池的工作机理。在基于PTB7-Th:Y6的QHJ中，很大一部分自由电荷本质上是在纯Y6相中产生的，而不是在给受体界面。Y6还起到了双极性运输通道的作用，使得在给体量很少的情况下实现了高效的空穴输运。作者还比较了基于PTB7-Th:Y6的QHJ与基于PM6:Y6的QHJ。PTB7-Th:Y6 QHJ的器件性能优于PM6:Y6 QHJ，主要得益于PTB7-Th:Y6 QHJ中更高的Y6相纯度，从而促进了电荷输运，通过四极场增强了能带弯曲，并减少了界面上的载流子复合。少量PTB7-Th的主要作用是防止电荷复合，增强Y6内部的四极场，这与传统给体的作用是完全不同的。

这项工作突破了经典的本体异质结有机太阳能电池结构，克服了本体异质结的部分缺点。在准同质结有机太阳能电池中，可以通过提高本征电荷的产生和减少电荷重组来实现高器件效率，而不仅仅是依赖于给受体界面上的激子解离。这种新的器件结构也有利于一些其他应用，如半透明有机太阳能电池和近红外光电探测器。

我校材料科学与工程学院王逸凡副教授是论文的第一作者，青岛大学材料科学与工程学院是第一单位，北京大学占肖卫教授是通讯作者。合作者还包括新西兰惠灵顿维多利亚大学Justin M. Hodgkiss课题组、美国雪城大学Quinn Qiao课题组、东华大学唐正课题组、西安交通大学马伟课题组。

QHJ非富勒烯有机太阳能电池基本工作机理

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