有机太阳能电池具有半透明、重量轻、制造工艺简单、可做成大面积柔性器件等优点，备受学术界与工业界的广泛关注。由于单个有机半导体材料本身的光吸收范围较窄，采用三个有机半导体材料组成一个三元体异质结(Ternary bulk heterojunction)光活性层，能够有效拓展光吸收范围，提高短路电流密度(Jsc)与光电转换效率(PCE)，Jsc的提升还可能来自于三元有机异质结界面电子结构匹配程度与薄膜微观聚集形貌。此外，有机光伏电池的填充因子FF（通常80%以下）相对低于晶硅电池(超过81%)和钙钛矿(79-82%)电池，也阻碍了光电转换效率的进一步提升。因此在构建三元有机光伏器件时，不仅需要考虑第三组分与给受体材料之间的光谱互补性，也需要协同优化Jsc与FF等光伏参数提升有机太阳能电池的器件性能。
近日，华东师范大学保秦烨课题组及其合作者对三元有机太阳能电池的界面电子结构，能量损失以及界面电荷转移动力学进行了研究。通过构建PM6:ITIC-M:Y6三元有机异质结，协同优化各项光伏参数，取得了光电转换效率PCE为18.13％，填充因子FF高达80.10％的光伏器件。
图1：基于PM6:Y6体系的高效率高填充因子三元有机光伏电池
研究人员利用紫外光电子能谱(UPS)与反光电子能谱(IPES)原位表征技术，结合整数电荷转移ICT模型分析了三元有机异质结界面电子结构特性。研究发现PM6:ITIC-M:Y6不仅形成了瀑布级联能级排布，而且相应的三元界面电子结构特性能够有效抑制ICT态陷阱辅助复合，促进了电荷在界面处的分离和传输。此外，ITIC-M与PM6:Y6表现出良好的太阳光谱吸收互补性以及体异质结相容性。通过飞秒瞬态吸收光谱、瞬态光电压/光电流以及电致发光量子效率等手段，分析了三元异质结界面的电荷动力学与能量损失。研究表明，与二元PM6:Y6体系相比，PM6:ITIC-M:Y6展示了改善的激子扩散与解离速率，更长的载流子寿命以及降低的非辐射复合能量损失。
图2：三元有机异质结活性层中各组分及界面电子结构
相关结果以“Enhanced Charge Transport and Broad Absorption Enabling Record 18.13% Efficiency of PM6:Y6 Based Ternary Organic Photovoltaics with a High Fill Factor over 80%”发表于Advanced Functional Materials DOI: 10.1002/adfm.202110743。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202110743