上交大&北航&帝国理工NM：光电转换效率19.6%！单结有机太阳能电池创造新记录

【引言】

有机太阳能电池（OSCs）在光伏建筑和柔性电子器件等诸多领域都展现出了巨大的应用潜力。近年来随着新材料的不断开发，这类太阳能电池器件的光电转换效率不断提高，正逐步追赶硅基太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。作为此类器件的核心，有机半导体凭借高吸收系数和能级可调等特点，使有机薄膜太阳能电池在宽波长范围内展现出较高的光电转换效率。尽管效率不断突破，但非理想的激子与载流子传输仍限制了OSCs的器件性能。由于有机半导体的激子扩散半径小，载流子迁移率相对较低，因此由给-受体共混制备的体异质结相分离形貌结构是实现高效率的关键。有机太阳能电池的活性层形貌是热力学因素和动力学过程共同决定的复杂非平衡态，精准调控难度较大。构建合适的多尺度形貌，使其适配激子、载流子的相关物理过程，提高其利用效率是获得高效率器件的关键。

【成果简介】

在前期的研究中，刘烽教授团队发现Y6类受体具有特殊的类聚合物堆积形态，并对其进行了一系列分子组装形态与多尺度形貌优化研究。在对Y6分子的结构优化中，通过引入弧外长支化侧链设计出了L8-BO受体。由于加强了烷基侧链间相互作用，调整了L8-BO分子在晶格中的组合序列，使其分子堆积更加紧密。这种特殊的多重分子间作用力，可使多个邻近二聚体交织形成大长径比的组装结构，呈现长周期对称性，并且对局部排列缺陷具有更高的耐受性。因此，L8-BO易形成长针状单晶结构，且可在薄膜沉积中维持大长径比的自组装特性，更易于形成类聚合物的纤维状结构。在此基础上，为了进一步在纳米尺度上对给受体相进行形貌优化以实现高效的激子扩散与载流子传输，上海交通大学刘烽教授、北京航空航天大学孙艳明教授以及帝国理工颜骏博士（共同通讯作者）在PM6:L8-BO的基础上，通过三元策略，引入了较强结晶性的给体聚合物D18，利用辅助结晶方法制备了具有双纤维网络形貌的光吸收层。D18可协同改善给受体纤维的结晶性，平衡给受体端激子和载流子的扩散长度，从而优化器件多维参数适配性。同时，D18还可以促进共混体系形成更密集的双纤维网络结构（纤维间隙中的共混相特征尺寸约为5 nm），能更好地与激子、载流子的扩散能力匹配，降低复合常数。此外，密集的给受体纤维交织形成了电子和空穴传输的高速通道，保证解离后的载流子能快速扩散到相应电极，最终大幅提升了器件效率。基于PM6:D18:L8-BO的有机太阳能电池最高效率达到了19.6%，填充因子接近82%，并获第三方独立机构的效率认证（NPVM：19.2%），是目前有机太阳能电池单结器件报道的最高值。最后，研究团队总结了构筑双纤维形貌结构的材料选择原则并验证了其普适性，实现了有机光伏薄膜形貌特征尺度与光物理核心参数的匹配适应，为后续高效有机太阳能电池的设计制备提供了新思路。上交大博士后研究员朱磊，博士生张明、徐锦秋为本文共同第一作者，研究成果以 “Single-junction organic solar cells with over 19% efficiency enabled by a refined double-fibril network morphology”为题发表在国际著名期刊Nature Materials上。

【图文解读】

图一、材料和器件性能

（a）PM6、D18以及L8-BO的化学结构；

（b）PM6、D18以及L8-BO的能级图谱；

（c）基于D18:L8-BO、PM6:L8-BO和 PM6:D18:L8-BO (0.8:0.2:1.2)器件的J-V曲线；

（d）具有不同给体比例的（PM6:D18:L8-BO）器件的PCE、 J_sc、FF值；

（e）基于D18:L8-BO、PM6:L8-BO和 PM6:D18:L8-BO器件的外量子效率（EQE）曲线；

（f）基于D18:L8-BO、PM6:L8-BO和 PM6:D18:L8-BO器件的PCE统计。

表一、OSCs的光伏参数（辐照为AM 1.5G，100 mW cm^–2）

图二、薄膜形貌表征

（a）PM6:L8-BO 和 PM6:D18:L8-BO共混膜的TEM图像；

（b）PM6:D18:L8-BO共混膜在不同波数下的PiFM图像；

（c）PM6:L8-BO 和 PM6:D18:L8-BO共混膜的2D-GIXD图；

（d）二元和三元混合膜GIXD的面内和面外方向的一维曲线；

（e）双纤维网络形貌示意图。

图三、器件物理学表征

（a）二元和三元器件的载流子迁移率；

（b）二元和三元器件的载流子扩散长度；

（c）二元和三元器件的电荷密度与复合速率的关系；

（d）二元和三元器件的电子占据态密度分布。

图四、L8-BO的单晶结构

（a）L8-BO的三种二聚体堆叠模式；

（b）堆叠模式的俯视图；

（c）堆叠模式的侧视图；

（d）L8-BO单晶的光学显微镜照片；

（e）L8-BO单晶的TEM选区电子衍射图。

图五、激子扩散长度和器件参数

（a）不同受体的激子扩散长度；

（b）不同给体的激子扩散长度；

（c）不同材料体系的二元和三元器件的PCE、FF、J_sc 和 V_oc的统计图（普适性分析）。

【成果启示】

在该工作中，作者通过双纤维网络形貌策略实现了单结效率19.6%（认证19.2%）的有机太阳能电池。这种形貌结构实现了有机光伏薄膜形貌特征尺度与光物理核心参数的匹配，实现了激子、载流子的高效率利用，并降低了复合，获得了器件效率的突破。该工作为下一代材料设计及高效率有机太阳能电池的制备提供了新的思路。

文献链接：Single-junction organic solar cells with over 19% efficiency enabled by a refined double-fibril network morphology, Nat. Mater., 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01244-y.