近日，东华大学先进低维材料中心特聘研究员唐正课题组有关降低有机太阳能电池器件电压损失的研究成果，刊于《自然通讯》。论文“Increasing Donor-Acceptor Spacing for Reduced Voltage Loss in Organic Solar Cells”第一作者为东华大学博士生王静，第一单位为东华大学先进低维材料中心、纤维材料改性国家重点实验室、材料科学与工程学院。该成果明确了给受体间距对有机光伏器件电压损失的影响，并提供了调控给受体间距的材料设计策略，为突破有机太阳能电池性能瓶颈提供了新思路。
随着非富勒烯材料的快速发展，有机太阳能电池器件光电转换效率快速提高，即将突破20%。然而，有机光伏器件性能目前仍然受限于器件内部较高的电压损失，因此，器件性能的进一步提升将极大的依赖于器件内部电压损失的降低。
在有机给受体太阳能电池器件中，器件电压损失的主要来源是光生载流子的非辐射复合，而载流子的非辐射复合速率则主要是由给受体分子界面处形成的电荷转移（CT）态的衰减速率常数（knr）决定。一般认为，因有机给受体体系中存在较强的CT激发态与基态（CT-S0）的振动耦合，knr总是过高，导致有机光伏器件电压损失总是过大。为了解决这一问题，研究人员需要明确决定有机给受体体系中CT-S0振动耦合程度的主要因素，并找到能够降低振动耦合的实验策略。
东华大学唐正教授课题组与北京化工大学李韦伟教授，比利时哈塞尔特大学Koen Vandewal教授合作，在《自然通讯》发表论文，首次提出有机光伏器件中的分子振动对载流子复合的加速作用与给受体间距——“DA间距”相关。课题组通过对有机半导体材料分子结构的微调控，实现了对给受体薄膜中“DA间距”的连续调控，通过增加“DA间距”有效地降低载流子的复合速率，从而降低了器件的电压损失，提升了器件输出电压及光电转换效率。这一研究成果将有利于设计更高性能的给受体材料，以及开发更理想的共混薄膜沉积工艺方案。
图1. DCDA聚合物薄膜的结构分析
在研究过程中，课题组首先研究了基于给受体单元通过烷基链共价相连的双榄型（DCDA）聚合物（图1）的薄膜。通过TEM及GIWAXS测试，发现薄膜具有清晰的微观结构，而“DA间距”与烷基连接基团的长度相关。然后，通过分析基于DCDA聚合物的有机光伏器件的性能参数，研究人员发现“DA间距”越大，载流子复合速率越小，且器件电压损失越低（图2），证实了分子振动对载流子复合速率的影响确实与“DA间距”关系紧密。
图2. 基于a）PBDB-T-NDI(C6)，b）PBDB-T-NDI(C12)和c）PBDB-T-NDI(C18)的有机光伏器件的电压损失测定。ECT为电荷转移态能量，Voc,rad为器件辐射复合限制开路电压，Vr和Vnr分别为器件辐射、非辐射复合电压损失
随后，课题组通过分子动力学模拟，进一步分析了给受体分子在更常见的本体异质结（BHJ）薄膜中的堆积方式及“DA间距”。研究结果表明，在高性能BHJ体系中，给受体分子相互堆积方式以平行pi-堆积为主，“DA间距”不到4埃米，因此分子振动对载流子复合影响极大，从而限制器件开路电压。随后，课题组通过增加给受体材料的烷基侧链长度，成功将BHJ薄膜中给受体分子的相互堆积距离增大，实现了载流子复合速率的降低，以及器件开路电压的提升（图3）。
综上，论文作者明确了给受体体系中DA间距对有机光伏器件电压损失的影响，提供了调控DA间距的材料设计策略，为突破有机太阳能电池性能瓶颈提供了新的研究思路。该研究工作获东华大学、国家自然科学基金以及上海市科委的资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26995-1