Joule：非富勒烯有机体相异质结太阳能电池中的自激解离

【引言】

有机太阳能电池是富勒烯分子与供体电子(D):受体电子(A)界面形成体相异质结，解离光生成的高结合能的Frenkel激子。近年来，非富勒烯分子作为电子受体产生有效的D:A界面，能够有效地解离激子。在非富勒烯太阳能电池中，D:A界面必须提供一种解离Frenkel激子的强大库仑引力，才能产生光电流。光激发会引起非富勒烯分子内供体电子和受体电子之间的分子内电荷转移，导致有机太阳能电池中D⁺和A^-提供电能分解的高结合能Frenkel激子。研究表明，在非富勒烯本体相异质结中，当D和A之间的能量偏移减小时，激子解离仍然可以有效地发生。在非富勒烯（PM6:Y6）体异质结中，光电流与外部偏压无关。此外，在D:A界面上，可以迅速发生电荷转移。在非富勒烯太阳能电池中，D:A本体相异质结形成时具有有效的内力，使激子解离，解离后的载流子流向各个电极，产生光电流。与此同时，非富勒烯-异质结中的高能紊乱也得到了抑制，降低了光伏损耗。在非富勒烯太阳能电池中，光激发的D:A本体相异质结是相互作用的，以减少由不均匀引起的高能紊乱，实现高效电荷传输，获得高效的光伏效率以及超过16％功率转换效率的有机太阳能电池。

【成果简介】

近日，中国华南理工大学的叶轩立教授以及美国田纳西大学的Bin Hu教授（共同通讯作者）等人发现非富勒烯太阳能电池中的施主：受主界面发生的自激解离，以完全分离电子-空穴对，实现高效的光伏作用。通过原位监测，D:A（PM6:Y6）处的解离与光电流的磁场作用相交，随光激发强度的逐渐增加而增加，一旦非富勒烯Y6分子被光激发，D:A界面的解离变得容易。这是一种增加光照来识别的自激解离现象，用光电流的磁场效应监测该解离。研究发现，在1 MHz下，光激发Y6分子会产生一个偶极极化信号，在PM6:Y6系统中产生光激发体极化。从本质上讲，具有光诱导偶极极化的光激发非富勒烯Y6分子能够在D:A界面完全分离电子-空穴对，在非富勒烯有机太阳能电池中开发高效光伏电池，从而实现自激解离。相关成果以“Self-Stimulated Dissociation in Non-Fullerene Organic Bulk-Heterojunction Solar Cells”发表在Joule上。

【图文导读】

图 1 PM6：Y6体相异质结太阳能电池的特性

（A）在体相异质结ITO/ZnO/C60-SAM/PM6:Y6/MoO₃/Ag器件中，采用532 nm和785 nm双光束分别激发供体-PM6和受体-Y6得到的磁光电流（Magneto-J_sc）图；

（B）原始PM6和Y6膜的紫外-可见吸收光谱；

（C）在ITO/ZnO/C60-SAM/PM6:Y6/MoO₃/Ag器件中，模拟的太阳光激发，测量的I-V特性图；

（D）在D:A处由光学产生的电子-空穴对引起的Magneto-J_sc信号的示意图。

图 2 自激解离的完全淬灭Magneto-J_sc信号的关键偏置监控

在785 nm光束的不同激发强度下与偏压有关的Magneto-J_sc：

（A）2.9 mW/cm²；

（B）8.8 mW/cm²；

（C）17.5 mW/cm²。

图 3 自激解离的完全淬灭Magneto-J_sc信号所需的临界偏置

（A）Magneto-J_sc确定的临界偏压V_c与激发Y6分子强度的外偏压的关系；

（B）在恒定532nm的激发强度下激发供体-PM6，在不同785nm光束强度下激发Y6分子的I-V特性。

图 4 体相异质结（ITO/ZnO/C60-SAM/PM6:Y6/MoO₃/Ag）中的太阳光感应Magneto-J_sc信号

（A）采用短通和长通滤光片激发供体-PM6和受体-Y6分子，将太阳光照射光谱分为光谱区-I和光谱区-II；

（B）在光谱区-I和光谱区I+II激发的Magneto-J_sc图。

图 5 准2D钙钛矿太阳能电池[ITO/PEDOT:PSS/(PEA)₂MA₄Pb₅I₁₆ /PC₆₁BM/PEI/Ag]的自激解离

（A）在不同模拟太阳光下的Magneto-J_sc图；

（B）每个激发强度下的Magento-J_sc与外部反向偏置之间的关系。

图 6 在ITO/ZnO/C60-SAM/PM6:Y6/MoO₃/Ag器件中的激发非富勒烯受体-Y6分子和供体-PM6分子

（A）Magneto-J_sc；

（B）Magneto-J_sc 与外部反向偏置；

（C）I-V特性。

图 7 Y6分子中的光诱导体极化

（A）非富勒烯受体-Y6分子中的受电子和供电子的示意图；

（B）在受体-Y6活性层器件[ITO/ZnO/C60-SAM/Y6/MoO₃/Ag]中模拟太阳光下不同光激发强度下的电容频率特性；

（C）在模拟太阳光下，采用不同激发强度下，在1×10⁶ Hz时，磁电容显示体极化。

【小结】

这项工作中发现了一个有趣的现象：增加光激发强度，会导致完全解离非富勒烯PM6:Y6本体相异质结太阳能电池[ITO/ZnO/C60-SAM/PM6：Y6/MoO₃/Ag]中D:A界面上的电子-空穴对所需的临界偏压降低。从本质上讲，这种现象提出了一种独特的机制，即在非富勒烯太阳能电池中发生自激解离。这种自激解离是通过器件工作条件下用Magneto-J_sc信号监测，以及确定完全解离电子-空穴对，同时分别激发供体-PM6和受体-Y6分子。本质上，随着光激发的Y6分子的增加，降低在D:A界面上完全解离电子-空穴对所需的临界偏压，在非富勒烯PM6:Y6本体相异质结太阳能电池的D:A界面处发生自激解离。高效的准2D钙钛矿太阳能电池缺乏自激解离作用，其中光激发强度的增加导致完全解离电子-空穴对所需的临界偏压增加。通过光激发依赖性磁电容测量，来排除光生载流子和离子的参与，光激发受体-Y6分子可以在双极极化状态下增加体极化，从而导致空间分布的分子内偶极子引起光激发增加的体极化。因此，在非富勒烯PM6:Y6体异质结太阳能电池中，自激解离是由光激发Y6分子的光激发增加的体极化引起的，从而获得高效率的光伏作用。

文献链接Self-Stimulated Dissociation in Non-Fullerene Organic Bulk-Heterojunction Solar Cells（Joule DOI: 10.1016/j.joule.2020.09.005）。

【推荐阅读相关的文献及课题组简介】：Y6分子结构的设计开发（Single-Junction Organic Solar Cell with over 15% Efficiency Using Fused-Ring Acceptor with Electron-Deficient Core, Joule DOI: 10.1016/j.joule.2019.01.004）；Y6体系的结构与性能的关系（Delocalization of exciton and electron wavefunction in non-fullerene acceptor molecules enables efficient organic solar cells, Nature Communications DOI: 10.1038/s41467-020-17867-1）

叶轩立，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室教授，兼任华南协同创新研究院印刷有机太阳电池创新中心主任。目前的研究方向主要集中于协同利用材料、界面和器件工艺等策略提高聚合物及钙钛矿光电器件的性能。在Nature, Science, Nature Photonics, Nature Commun., Joule, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Energy Environ. Sci. 等期刊发表SCI研究论文220余篇，论文被引用23000余次，H-指数为79，并连续于2014至2019年度入选全球“高被引科学家”。叶轩立教授课题组主要有三个大研究方向，分别是：有机光伏、钙钛矿光伏、钙钛矿发光。其中有机光伏主要集中研究当今高性能体系的结构与性能关系进一步发展更高性能的体系、器件稳定性研究、大面积模组器件的开发、半透明器件及其应用探索等方向。

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