香港城大任廣禹&浙大陈红征团队Nat. Nanotech.：高效多组分有机太阳能电池的稀释效应

【引言】

OSCs因使用柔性基板的低成本卷对卷制造而引起了很多关注。与无机物相比，相对较低的功率转换效率（PCE）是OSC的主要挑战之一。研究发现，构建MC-OSCs（如基于三元混合物的MC-OSCs）可以通过抑制非辐射电荷重组来降低开路电压（V_OC）的损失，从而获得超过18%的高性能。在这些高性能的MC-OSCs中通常观察到与成分相关的VOC变化。此前，有人提出了一种并联工作机制来解释大大改善的三元OSCs的短路电流（J_SC）。同时，能量转移和电荷转移模型从载流子动力学角度解释了三元OSCs的工作机制。然而，在上述模型的基础上，光电压应固定在供体-受体（D-A）对的低V_OC上。然而，三元OSCs中电荷转移能量的变化和电荷复合位点的来源仍然不清楚，特别是考虑到两种电荷转移状态（或D-A界面）的共存。此后，缺少对MC-OSC的基本理解，这给器件优化的最佳材料组合提出有效的设计规则带来了困难。

【成果简介】

近日，在香港城市大学任廣禹教授和浙江大学陈红征教授团队等人带领下，将“稀释效应”作为MC-OSCs的机制，其中两种高度混溶的成分在分子中相互混合。与聚集诱导的非辐射衰减相反，稀释效应通过抑制电子-振动耦合使MC-OSCs具有更高的发光量子效率和开路电压（V_OC）。持续加宽的带隙以及减少的电子振动耦合也很好地解释了三元混合物中与成分相关的V_OC。此外，我们还证明了电子可以在不同的受体之间转移，这取决于它们之间的能量偏移，这有助于MC-OSCs中基本不受干扰的电荷传输和高填充因子。稀释效应的发现使MC-OSC的高功率转换效率达到18.31%。该成果以题为“Dilution effect for highly efficient multiple-component organic solar cells”发表在了Nat. Nanotech.上。

【图文导读】

图1 发光物质 (4TIC) 和稀释剂分子 (ITIC) 的稀释效应和光电特性示意图

a、稀释效果示意图，能谱图（单位，eV），ITIC和4TIC分子结构，用溶剂或固体稀释。

b、质量比为1:0、95:5、9:1、8:2、7:3、5:5、3:7和0:1的ITIC-4TIC混合时，吸收光谱显示轻微蓝移。a.u,任意单位。

c、质量比为1:0、95:5、9:1、8:2、7:3、5:5、3:7和0:1的ITIC-4TIC混合物的PL光谱。插图:归一化PL光谱显示混合时的蓝移。

d、ITIC, 4TIC及其混合物（ITIC与4TIC之比，95:5，wt%）的瞬态PL光谱的伪彩图。白线表示峰中心随时间的变化。

e、4TIC-ITIC混合薄膜随成分变化的最大发射/吸收峰值能量（稳定）、HR参数和PL量子产率。

f、稀释效应降低S和增加带隙的Frank-Condon（FC）原理图。

图2 从4TIC-ITIC薄膜到具有不同ITIC负载的MC-OSCs的遗传稀释效应

a）EQE光谱。

b）电致发光光谱。

c）ELQE曲线。

d）J-V特性曲线。

e）随ITIC含量变化的V_OC。V_OC损耗和带隙。

f）V_OC和J_SC对光伏带边缘的变化。

g）不同ITIC含量的PBDB-T-4TIC的V_OC损失分析和电荷传输性能：非理想V_OC损失（黑色）、非辐射V_OC损失（红色）和非理想辐射V_OC损失（绿色）。

h）随ITIC含量变化的带隙、HR参数、ELQE，计算带隙和HR参数均变化时的无辐射衰变部分（底部的红色曲线），计算带隙变化但HR参数固定时的无辐射衰变部分。

图3 PBDB-T、ITIC和4TIC之间的载体动态

a）4TIC、ITIC和ITIC-4TIC混合物的原始薄膜的光诱导吸收（OD）光谱。混合薄膜在850 nm（黑色）和700 nm（红色）处被激发。

b）ITIC和4TIC之间的电荷和能量转移过程的示意图，以及三元共混物中的电荷和能量转移的示意图。

c）500 nm激发后GSB特征的动力学痕迹。

d）在500和850 nm激发下，三元共混物在不同泵浦-探测延迟下的瞬态吸收光谱。

图4 混合薄膜中的电荷传输行为

a）用Bässler模型和渗流限制模型拟合的6TIC-4F-PS和Y6-PS混合物的随浓度变化的电子迁移率。

b）以ITIC和ITIC-4F为稀释剂，相互稀释6TIC-4F受体混合薄膜的迁移率演变比较。

c）在嵌入限制的情况下，受限和不受限的迁移率变化。

图5稀释策略的扩展系统

a、b）带有ITIC-4F的PM6-6TIC-4F的J-V曲线（a）和EQE光谱（b）。

c、d）带有ITIC-4F的PM6-Y6的J-V曲线（c）和EQE光谱（d）。

e、f）PM6-BTP-eC11在加入或不加入BTP-S2稀释剂时的J-V曲线（e）和EQE谱（f）。

【小结】

综上所述，团队证明了稀释效应是MC-OSCs的工作机制。通过混合两个可混溶的受体分子，由于振动耦合的抑制和带边的锐化，V_OC损失减少。随着能带隙的增大，稀释效应很好地解释了MC-OSCs中V_OC损失的减少和随成分变化的V_OC行为。时间分辨光谱学和电学特性的结果表明，稀释剂作为电荷转移和传输的中间步骤，而不影响电子迁移，可容纳MC-OSCs中实现的高FFs。在稀释效应的基础上，推导出材料选择规则，使器件的性能得到普遍的改善。结果获得了18.31%的最佳PCE，这是文献中报道的OSC的最高效率之一。

文献链接：Dilution effect for highly efficient multiple-component organic solar cells（Nat. Nanotech.，2021，DOI：10.1038/s41565-021-01011-1）

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