有机太阳能电池中，由于聚合物本质上较窄的吸收，期待聚合物与单一的富勒烯衍生物有很好的太阳光谱覆盖是非常有挑战的。三元共混是个非常有希望的策略，常常会包含两种吸收互补的给体材料再加上一种受体材料（或者一种给体加上两种受体）。由于第二种给体材料的引入会出现短路电流的明显增长，可以导致性能的明显提高。通常开路电压的数值，介于两个双元电池的电压之间，不过填充因子却常常明显下降。通常来说，双层电池填充因子受限于自由电荷复合与抽取的竞争。
在常见的文献报道中，经常能看到从主体材料向有序的敏化剂进行电荷传输。最近，德国埃尔朗根-纽伦堡大学的Nicola Gasparini、Christoph J. Brabec、Tayebeh Ameri等人在Nature Energy发表文章，通过选择无定型的主体聚合物，可以提供高效的电荷分离，同时引入结晶聚合物，提供非常有效的电荷传输，来克服电荷复合。这个精巧设计的三元共混有机太阳能电池，载流子复合降低且填充因子可高达77%。（Designing ternary blend bulk heterojunction solar cells with reduced carrier recombination and a fill factor of 77%. Nature Energy, 2016, 1, 16118, DOI: 10.1038/nenergy.2016.118）
图1. 三元共混电池中的三个组分。图片来源：Nature Energy
通过对比紫外吸收以及外量子曲线可以发现，加入10-15%的敏化剂使得在600-750 nm区域的外量子数值明显增大，这主要来源于PTB7的吸收。这部分电流来自于主体材料，这表明加入敏化剂大大增加了电荷的分离和/或电荷传输。有趣的是，来自主体材料电荷收集的提高，表明10%-15%敏化是电流增大的主要贡献，然而700–850 nm区域吸收以及EQE（外量子效率）仍旧非常低。对于含有20-50%成分的Si-PCPDTBT，电流的贡献主要来自700-850 nm的区域，这与吸收是吻合的。之前的报道一般是加入敏化剂后，富勒烯的吸收区域的EQE会提高，而在这里加入敏化剂却主要是PTB7的吸收区域发生提高。但是，加入更高量的敏化剂，尽管在近红外区有Si-PCPDTBT的明显贡献，却降低了PTB7:PC70BM吸收区域的EQE数值。
表1. 器件参数表。图片来源：Nature Energy
图2. 双元或三元薄膜的薄膜吸收。图片来源：Nature Energy
图3. 电池的外量子效率图。图片来源：Nature Energy
随后作者做了大量的电学实验，来研究其相关特性，包括电荷的复合及传输特性、敏化剂对主体体系的载流子动力学、电荷传输行为、载流子寿命及载流子浓度等。此外，作者利用碳边软X射线等手段探测了横向的相分离情况。随后，作者利用能量过滤透射电镜，对实空间中的形貌进行了细致表征，之后作者还利用GIWAX技术对相关的结晶信息进行了细致的表征。之后作者利用次级离子质谱分析法对整个厚度上的每个组份进行了研究。能看出来，作者利用了大量的手段想将该三元共混体系研究透彻。
图4. 不同材料的能级图。图片来源：Nature Energy
作者还验证了他们该方法的普适性，将PTB7换成仍然无定型的PTB7-Th之后，仍然具有本论文中的效果。
总之，作者用微结构完全不同的三元组份，来提高器件性能，拥有非常大的潜力，这也超越了传统的光吸收方法。可是PTB7与PTB7-Th本身结构差别非常小，小编认为用来说明普适性有些不合理。能否用在其他体系，这个真的不好说。希望能够有真正具有普适性的方法，并利用许多的大数据来验证下。不知读者如何认为？
http://www.nature.com/articles/nenergy2016118
（本文由科研趣生供稿）