张勇教授、彭强教授Nano Energy：引入稠环苝酰亚胺客体使三元有机太阳电池获得18%的效率

第一作者：刘明

通讯作者：张勇*，彭强*

单位：哈尔滨工业大学，四川大学

近年来，由于Y6及其衍生物等稠环非富勒烯电子受体材料地成功开发，有机太阳电池（OSCs）的光电转换效率（PCE）不断取得突破，二元器件很容易实现超过15%的PCE。为进一步提高器件的光电转化效率，优化活性层的形貌至关重要，而向高效率的二元体系（如PM6:Y6）中引入第三组分制备三元器件是最为有效且简便的策略。对于当前的高效率三元器件，其第三组分多为Y6的衍生物，这意味着主受体与客受体的吸收存在较大的重叠，不利于短路电流密度的提高。此外，这类受体分子的合成路线复杂，成本较高，不利于未来的商业化。因此，有必要开发新的受体分子作为第三组分以提升器件的性能并克服上述问题。

基于此，来自哈尔滨工业大学的张勇教授与四川大学的彭强教授合作，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“18% efficiency of ternary organic solar cells enabled by integrating a fused perylene diimide guest acceptor”的研究文章。

该工作中，研究人员基于经典的PM6:Y6二元体系，引入一种稠环苝酰亚胺类小分子（FPDI-2PDI）作为客体受体制备三元器件。FPDI-2PDI的引入增强了活性层在短波长范围的吸收，并有效改善了活性层形貌，使得三元器件的开路电压V_oc、短路电流密度J_sc和填充因子FF同时提高，器件性能明显提升。

FPDI-2PDI具有高吸光系数，能够增强活性层在300-600 nm范围内的吸收，其荧光光谱与Y6的吸收光谱具有良好的重叠，可进一步提升太阳光的利用率，这有利于提高三元器件的短路电流密度J_sc。FPDI-2PDI的LUMO能级介于PM6与Y6之间，有利于提高开路电压V_oc。FPDI-2PDI与Y6表现出非常好的形容性，这对于获取优良的活性层形貌非常重要。

FPDI-2PDI的引入可显著削弱陷阱复合，对于双分子复合也有一定的抑制。三元器件的激子解离与电荷收集效率都获得了提高，空穴与电子迁移率也都得到了提升，电荷传输性能提高且更平衡。此外，FPDI-2PDI的添加可抑制Y6的过度聚集，从而使三元器件的活性层获得更加优良的相分离尺寸。

引入FPDI-2PDI后，三元器件的开路电压V_oc、短路电流密度J_sc和填充因子FF分别达到0.848 V, 27.47 mA cm^-2和77.20%，三元器件光电转化效率（PCE）达到18%。与PM6:Y6（PCE=16.63%）二元器件相比，效率的提升主要源于J_sc和FF的明显提高。

18% efficiency of ternary organic solar cells enabled by integrating a fused perylene diimide guest acceptor

彭强 教授 简介：博士，教授，博士生导师，四川大学高分子材料工程国家重点实验室固定研究人员。长期从事光电能源材料与器件的研究工作，主要涉及有机高分子太阳能电池、电致发光材料与器件，碳基纳米能源材料与器件等。先后主持或参与科技部重大研究计划、国家自然科学基金、科技部国际合作项目、教育部新世纪优秀人才支持计划项目等国家和省部级科研课题。

张勇 教授 简介：博士，教授，博士生导师，哈尔滨工业大学材料学院教师。长期从事有机光电材料与器件的研究工作，主要包括有机聚合物太阳电池和有机电致发光，先后主持或参与科技部、国家自然科学基金等国家和省部级科研项目。

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