AFM：从载流子产生到收集：揭示聚合物/NFA与全聚合物太阳能电池组成耐受性差异的根源

第一作者：吴薇薇

通讯作者：闵杰*，

单位：武汉大学

有机太阳能电池（OPVs）因其柔性、轻质、可溶液加工等优势，被认为是下一代绿色能源技术的有力候选。近年来，其光电转换效率已突破 20%，逐步接近商业化需求。在器件制备中，活性层中给体与受体的混合质量比是决定性能与稳定性的关键因素之一。值得注意的是，不同体系对组成比例的“组分容忍度”存在显著差异：聚合物/小分子受体体系（如 PBDB-T:Y6） 在高受体含量下性能反而更优；全聚合物体系（如 PBDB-T:N2200）则在较宽的组成范围内都能保持稳定而出色的性能。然而，这些体系在“组成差异性”上的差异，其背后涉及的光物理机制仍缺乏深入理解。这种认知缺口在一定程度上限制了 OPVs 的进一步性能优化与规模化制备。

近日，武汉大学闵杰教授团队在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上发表了题为“From Carrier Generation to Collection: Unraveling the Origin of Composition Tolerance Differences in Polymer/NFA and All-Polymer Solar Cells”的研究论文。该研究系统比较了基于聚合物/小分子（PBDB-T:Y6）以及全聚合物（PBDB-T:N2200）体系的有机太阳能电池，揭示了两者在不同给体/受体比例下表现出显著性能差异的物理机理。研究发现，不同材料体系的组分容忍性差异显著：小分子受体Y6体系在高受体含量时性能较好，而全聚合物体系在宽比例范围内都保持稳定。这种差异的机理涉及光吸收、激子解离、电荷产生、传输、复合和提取等多个物理动力学过程。理解这些差异对设计高容忍性材料和器件结构至关重要，有助于推动有机光伏从实验室走向实际应用。

为研究不同D:A比例对器件性能的影响，本研究制备了结构为 ITO/PEDOT:PSS/活性层/PFN-Br/Ag 的 PBDB-T:Y6 和 PBDB-T:N2200 器件，活性层厚度均优化至 100 ± 10 nm。实验结果显示，两类器件在不同 D:A 比例（15:1 至 1:15）范围内开路电压（VOC）相对稳定，而短路电流密度（JSC）、填充因子（FF）及光电转换效率（PCE）对 D:A 比例更为敏感，并在 1:1 时达到最优。随着 D:A 比例从 1:1 增加至 15:1，PBDB-T:Y6 器件性能显著下降，而 PBDB-T:N2200 在高给体比例下仍保持相对稳定，在 15:1 时 PCE 保留约 38.2%。当 D:A 比例从 1:1 降至 1:15 时，两体系对给体含量的敏感性降低，PBDB-T:Y6 保留约 45.1% 的最优效率，PBDB-T:N2200 保留约 23.2%。上述结果表明，相较于 PBDB-T:Y6 器件，PBDB-T:N2200 光伏器件在较宽的 D:A 比例范围内表现出更优的组成耐受性。此外，两活性层体系的 JSC 随 D:A 比例变化的趋势与 PCE 高度一致，表明 JSC 是 D:A 比例变化对 PCE 影响的主要决定因素。

为了研究不同给体/受体比例下光子的吸收与激子生成对JSC的影响，我们首先分析了PBDB-T:Y6与PBDB-T:N2200体系的光吸收特性，并通过积分吸收光谱与AM 1.5G太阳光谱计算了在不同比例下薄膜的吸收光子数（Nph）。结果显示，随着 Y6 含量的提高，PBDB-T:Y6 体系的吸收光子数显著增加，而PBDB-T:N2200体系的吸收几乎不随比例变化，这是因为PBDB-T吸收的减少可被N2200的吸收补偿。然而，吸收光子的变化趋势并不能直接解释JSC的变化，因此我们进一步通过Jph-Veff分析提取最大激子生成率（Gmax）。结果表明，Gmax的演变趋势与JSC一致，说明在不同D:A比例下，电荷生成效率和激子解离动力学才是决定光电转换效率差异的关键因素，而光吸收量的影响相对次要。

为了研究激子的解离与电荷的生成过程在不同给体/受体比例下的变化，本研究系统分析了PBDB-T:Y6与PBDB-T:N2200两类体系的外量子效率（IQE）、电场依赖内量子效率（EQE）、荧光（PL）淬灭以及电荷解离行为。结果显示，PBDB-T:Y6体系在高受体组分条件下可保持高而平坦的IQE和电场无关的电荷生成，但在低Y6含量下因形貌恶化与界面不足导致IQE显著下降、PL淬灭变弱、电荷分离呈现明显偏压依赖；相比之下，PBDB-T:N2200体系在不同的给受体比例范围内都维持均匀形貌、高IQE、强PL淬灭和稳定的电荷解离效率，其电荷生成几乎不受电场和D:A比例影响，展现出显著的“组分耐受性”。这一差异源于N2200在PBDB-T基体中的更均匀分布与更丰富的D/A界面，使全聚物器件在激子解离与光生电荷生成方面更稳健。

为了研究不同给体/受体比例下载流子的传输、复合与提取行为，我们系统分析了两类体系的电荷迁移率、光强依赖的JSC与VOC、TPV与TPC等关键电荷动力学参数。研究发现，载流子的传输、复合与提取过程在不同比例下变化不大，不足以解释在极端富给体或富受体条件下的性能衰减，表明器件性能的决定因素主要依赖于前期的激子解离与电荷生成过程。

“From Carrier Generation to Collection: Unraveling the Origin of Composition Tolerance Differences in Polymer/NFA and All-Polymer Solar Cells”

闵杰 教授 简介：教授，博士生导师，2017年加入武汉大学，现为高等研究院教授。课题组主要研究兴趣包括有机太阳能电池和光伏建筑一体化（BIPV）应用。回国以来，以通讯作者身份发表Nature Energy（1），Joule（11），Nature Communications（2），Advanced Materials（9），Angew Chemie International Edition（3），Energy & Environmental Science（11）等高水平论文100余篇，论文总引用2.1万余次，H指数76；已申请专利15项（含授权8项）。担任高分子三刊青年编委，Macromolecules和Energy Reviews 期刊青年编委或编委委员，2022-2025年度入选科睿唯安高被引科学家。

吴薇薇 师从闵杰教授，武汉大学博士研究生（四年级），研究方向为有机太阳能电池界面相关的机理研究