在新能源光伏领域，有机太阳能电池因其具有轻量、低成本、半透明和可大面积柔性制备等特性，一直得到广泛关注。自2020年以来，基于Y系列非富勒烯受体的单节有机光伏器件的光电转换效率相继超过了18%，使其接近了商业化应用的标准值。然而，除了致力于获取更高的器件效率外，现阶段有机太阳能电池较差的稳定性则是其走向实际应用的另一个重要挑战。因此，改善器件长期的稳定性是目前有机光伏领域中研究的热点和难点。
针对提高器件稳定性，郝晓涛教授团队通过使用三元体异质结策略，在高效率的PM6:BTP-4Cl体系中分别引入自稳定的小分子给体DRCN5T和聚合物受体PDI-2T构筑了多功能化的给体/受体合金态，从而抑制了非富勒烯受体BTP-4Cl的动力学扩散和聚集行为。其中受体合金提高了BTP-4Cl分子的构象刚性，抑制了其分子内振动，使高能激发态快速驰豫。给体合金则优化了PM6聚合物的纤维网状微结构，使BTP-4Cl受体的动力学扩散和聚集行为变慢。这一策略显著提高了三元有机太阳能电池长期的稳定性。
图1 (a)所用材料的化学结构。(b)纯膜的归一化紫外-可见光吸收光谱。(c)二元和三元共混膜的归一化紫外-可见光吸收光谱。(d)二元和三元有机太阳能电池的J-V曲线，(e)PCE分布直方图，(f)EQE光谱，(g)Jph-Veff曲线，(h)载流子迁移率。
在本工作中，基于课题组光物理的研究特色，由郝晓涛教授带领的团队将有机太阳能电池内部潜在的光物理特性与器件性能衰减趋势进行了定性和定量的关联，从较宽时间尺度上揭示了器件的衰减机制，这为进一步加强有机光伏器件的稳定性提供了新的思路。
图2 (a-c)二元PM6:BTP-4Cl、三元PM6:BTP-4Cl:PDI-2T和PM6:DRCN5T:BTP-4Cl共混薄膜随存储时间变化的归一化PL光谱。(d)Spano分子聚集模型。(e)非富勒烯受体分子潜在的聚集行为及其相应的能态图。
此外，该团队通过将富勒烯衍生物PC71BM引入到PM6:IT4F体系中制备出了兼备高效性与稳定性的三元非富勒烯有机太阳能电池，并首次探索了其内部激子扩散行为在较宽时间尺度内改善的物理机制。这项研究工作不仅从调控激子扩散角度为进一步加强器件的效率和稳定性提出了新的见解与理念，而且为未来有机光伏器件的发展提供了更多的选择与可能性。
图3（a）IT4F薄膜在近红外波长范围内的二维瞬态吸收图和（b）其在几个延迟时间下的光谱。（c）IT4F薄膜和IT4F:polystyrene共混膜在960 nm处的强度相关和（d）强度不相关的激子动力学衰减曲线。
以上相关成果分别发表在Advanced Functional Materials(Adv. Funct. Mater. 2021, 2100316)和Nano Energy(Nano Energy 2021, 79, 105513)上。两篇论文第一作者均为山东大学物理学院博士生张康宁，通讯作者为郝晓涛教授，山东大学为第一作者单位和唯一通讯作者单位。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202100316
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105513
相关进展
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