青岛大学薄志山教授团队等AFM：利用有效激子解离实现有机太阳能电池的低非辐射复合损失

第一作者：崔新悦

通讯作者：刘玉强*，张文凯*，薄志山*

单位：青岛大学，北京师范大学，东华大学，四川大学

有机太阳能电池（OSCs）的光电转化过程通常可归纳为光的吸收；激子的产生、扩散和解离以及电荷的传输和收集。在单结OSCs中光电转换效率（PCE）已接近20%，这是通过基于给体、受体和第三组分的三元结构实现的。加入第三组分可以提高激子解离效率，改善复合损失，有助于提高OCSs的PCE。然而，三元OSCs中调节激子解离的光物理过程仍然十分复杂，理解有限。由于给体、受体和第三组分之间存在重叠吸收区，因此很难单独观察到每种组分的光激发信号，这也是其中一个关键挑战。虽然三元结构的较高PCE证明了它们的潜力，但深入了解其工作原理对于进一步提高效率至关重要。

近日，青岛大学刘玉强教授、薄志山教授与北京师范大学张文凯教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Enabling Low Nonradiative Recombination Losses in Organic Solar Cells by Efficient Exciton Dissociation”的文章。该文章分析了利用有效激子解离实现有机太阳能电池的低非辐射复合损失。

宽带隙有机半导体聚咔唑PCz的引入使基于PM6:PCz:Y6器件的空穴与电子迁移率都得到了提升，电荷传输性能提高且更平衡，激子解离与电荷收集效率均有明显改进，三元器件能够显著减弱缺陷复合。此外，PCz的引入有利于改善薄膜形貌，从而使三元器件活性层获得更加优良的相分离尺寸。

由于PCz、PM6和Y6薄膜的吸收特性不同，因此可以通过飞秒瞬态吸收技术（Fs-TA）研究各组分在激发态动力学中的作用。通过不同波长激发下的Fs-TA结果发现，电子可以从PCz转移到PM6，再从PM6转移到Y6；空穴可以从Y6转移到PM6，再从PM6转移到PCz。随后利用双指数（τ1和τ2）和三指数（τ1、τ2和τ3）拟合得到的寿命τ研究基于不同含量PCz在PM6:Y6体系中激子的动态过程，可以看出在PM6:PCz:Y6（5 wt.% 和 10 wt.% PCz）三元体系中，激子的利用率明显提高。

此外，在不同活性层体系中PCz的加入也能够使非辐射复合能量损失减少，并有效提高器件性能。在D18:L8-BO体系中引入PCz后，基于D18:PCz:L8-BO器件的非辐射复合能量损失降低至0.175 eV，PCE超过19%。这项工作证明了利用有效激子解离对降低OSCs非辐射复合损失及提高器件性能的重要性。

Enabling Low Nonradiative Recombination Losses in Organic Solar Cells by Efficient Exciton Dissociation

薄志山 教授 简介：北京师范大学化学学院教授，2014年被聘为教育部长江学者特聘教授，教育部能量转换与存储材料长江学者创新团队带头人，能量转换与存储材料北京市重点实验室主任。主要从事有关聚合物光电功能膜材料方向的研究，在J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem.、Macromolecules、Adv. Mater.等杂志上发表论文300多篇，被引用4000余次。

崔新悦，青岛大学博士研究生，主要研究方向为有机太阳能电池器件的优化。