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  在新能源光伏領(lǐng)域，有機太陽能電池因其具有輕量、低成本、半透明和可大面積柔性制備等特性，一直得到廣泛關(guān)注。自2020年以來，基于Y系列非富勒烯受體的單節(jié)有機光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率相繼超過了18%，使其接近了商業(yè)化應(yīng)用的標準值。然而，除了致力于獲取更高的器件效率外，現(xiàn)階段有機太陽能電池較差的穩(wěn)定性則是其走向?qū)嶋H應(yīng)用的另一個重要挑戰(zhàn)。因此，改善器件長期的穩(wěn)定性是目前有機光伏領(lǐng)域中研究的熱點和難點。

  針對提高器件穩(wěn)定性，郝曉濤教授團隊通過使用三元體異質(zhì)結(jié)策略，在高效率的PM6:BTP-4Cl體系中分別引入自穩(wěn)定的小分子給體DRCN5T和聚合物受體PDI-2T構(gòu)筑了多功能化的給體/受體合金態(tài)，從而抑制了非富勒烯受體BTP-4Cl的動力學(xué)擴散和聚集行為。其中受體合金提高了BTP-4Cl分子的構(gòu)象剛性，抑制了其分子內(nèi)振動，使高能激發(fā)態(tài)快速馳豫。給體合金則優(yōu)化了PM6聚合物的纖維網(wǎng)狀微結(jié)構(gòu)，使BTP-4Cl受體的動力學(xué)擴散和聚集行為變慢。這一策略顯著提高了三元有機太陽能電池長期的穩(wěn)定性。

圖1 (a)所用材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)。(b)純膜的歸一化紫外-可見光吸收光譜。(c)二元和三元共混膜的歸一化紫外-可見光吸收光譜。(d)二元和三元有機太陽能電池的J-V曲線，(e)PCE分布直方圖，(f)EQE光譜，(g)J_ph-V_eff曲線，(h)載流子遷移率。

  在本工作中，基于課題組光物理的研究特色，由郝曉濤教授帶領(lǐng)的團隊將有機太陽能電池內(nèi)部潛在的光物理特性與器件性能衰減趨勢進行了定性和定量的關(guān)聯(lián)，從較寬時間尺度上揭示了器件的衰減機制，這為進一步加強有機光伏器件的穩(wěn)定性提供了新的思路。

圖2 (a-c)二元PM6:BTP-4Cl、三元PM6:BTP-4Cl:PDI-2T和PM6:DRCN5T:BTP-4Cl共混薄膜隨存儲時間變化的歸一化PL光譜。(d)Spano分子聚集模型。(e)非富勒烯受體分子潛在的聚集行為及其相應(yīng)的能態(tài)圖。

  此外，該團隊通過將富勒烯衍生物PC₇₁BM引入到PM6:IT4F體系中制備出了兼?zhèn)涓咝耘c穩(wěn)定性的三元非富勒烯有機太陽能電池，并首次探索了其內(nèi)部激子擴散行為在較寬時間尺度內(nèi)改善的物理機制。這項研究工作不僅從調(diào)控激子擴散角度為進一步加強器件的效率和穩(wěn)定性提出了新的見解與理念，而且為未來有機光伏器件的發(fā)展提供了更多的選擇與可能性。

圖3（a）IT4F薄膜在近紅外波長范圍內(nèi)的二維瞬態(tài)吸收圖和（b）其在幾個延遲時間下的光譜。（c）IT4F薄膜和IT4F:polystyrene共混膜在960 nm處的強度相關(guān)和（d）強度不相關(guān)的激子動力學(xué)衰減曲線。

  以上相關(guān)成果分別發(fā)表在Advanced Functional Materials(Adv. Funct. Mater. 2021, 2100316)和Nano Energy(Nano Energy 2021, 79, 105513)上。兩篇論文第一作者均為山東大學(xué)物理學(xué)院博士生張康寧，通訊作者為郝曉濤教授，山東大學(xué)為第一作者單位和唯一通訊作者單位。

  論文鏈接：

  https://doi.org/10.1002/adfm.202100316

  https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105513