【引言】

有機太陽能電池是非富勒富勒烯分子與供體電子(D):受體電子(A)界面形成體相異質(zhì)結(jié)，解離光生成的烯有相異高結(jié)合能的Frenkel激子。近年來，機體激解非富勒烯分子作為電子受體產(chǎn)生有效的質(zhì)結(jié)D:A界面，能夠有效地解離激子。太陽在非富勒烯太陽能電池中，池中D:A界面必須提供一種解離Frenkel激子的離材料牛強大庫侖引力，才能產(chǎn)生光電流。非富勒光激發(fā)會引起非富勒烯分子內(nèi)供體電子和受體電子之間的烯有相異分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，導致有機太陽能電池中D⁺和A^-提供電能分解的機體激解高結(jié)合能Frenkel激子。研究表明，質(zhì)結(jié)在非富勒烯本體相異質(zhì)結(jié)中，太陽當D和A之間的池中能量偏移減小時，激子解離仍然可以有效地發(fā)生。離材料牛在非富勒烯（PM6:Y6）體異質(zhì)結(jié)中，非富勒光電流與外部偏壓無關(guān)。此外，在D:A界面上，可以迅速發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。在非富勒烯太陽能電池中，D:A本體相異質(zhì)結(jié)形成時具有有效的內(nèi)力，使激子解離，解離后的載流子流向各個電極，產(chǎn)生光電流。與此同時，非富勒烯-異質(zhì)結(jié)中的高能紊亂也得到了抑制，降低了光伏損耗。在非富勒烯太陽能電池中，光激發(fā)的D:A本體相異質(zhì)結(jié)是相互作用的，以減少由不均勻引起的高能紊亂，實現(xiàn)高效電荷傳輸，獲得高效的光伏效率以及超過16％功率轉(zhuǎn)換效率的有機太陽能電池。

【成果簡介】

近日，中國華南理工大學的葉軒立教授以及美國田納西大學的Bin Hu教授（共同通訊作者）等人發(fā)現(xiàn)非富勒烯太陽能電池中的施主：受主界面發(fā)生的自激解離，以完全分離電子-空穴對，實現(xiàn)高效的光伏作用。通過原位監(jiān)測，D:A（PM6:Y6）處的解離與光電流的磁場作用相交，隨光激發(fā)強度的逐漸增加而增加，一旦非富勒烯Y6分子被光激發(fā)，D:A界面的解離變得容易。這是一種增加光照來識別的自激解離現(xiàn)象，用光電流的磁場效應(yīng)監(jiān)測該解離。研究發(fā)現(xiàn)，在1 MHz下，光激發(fā)Y6分子會產(chǎn)生一個偶極極化信號，在PM6:Y6系統(tǒng)中產(chǎn)生光激發(fā)體極化。從本質(zhì)上講，具有光誘導偶極極化的光激發(fā)非富勒烯Y6分子能夠在D:A界面完全分離電子-空穴對，在非富勒烯有機太陽能電池中開發(fā)高效光伏電池，從而實現(xiàn)自激解離。相關(guān)成果以“Self-Stimulated Dissociation in Non-Fullerene Organic Bulk-Heterojunction Solar Cells”發(fā)表在Joule上。

【圖文導讀】

圖1 PM6：Y6體相異質(zhì)結(jié)太陽能電池的特性

（A）在體相異質(zhì)結(jié)ITO/ZnO/C60-SAM/PM6:Y6/MoO₃/Ag器件中，采用532 nm和785 nm雙光束分別激發(fā)供體-PM6和受體-Y6得到的磁光電流（Magneto-J_sc）圖；

（B）原始PM6和Y6膜的紫外-可見吸收光譜；

（C）在ITO/ZnO/C60-SAM/PM6:Y6/MoO₃/Ag器件中，模擬的太陽光激發(fā)，測量的I-V特性圖；

（D）在D:A處由光學產(chǎn)生的電子-空穴對引起的Magneto-J_sc信號的示意圖。

圖2 自激解離的完全淬滅Magneto-J_sc信號的關(guān)鍵偏置監(jiān)控

在785 nm光束的不同激發(fā)強度下與偏壓有關(guān)的Magneto-J_sc：

（A）2.9 mW/cm²；

（B）8.8 mW/cm²；

（C）17.5 mW/cm²。

圖3 自激解離的完全淬滅Magneto-J_sc信號所需的臨界偏置

（A）Magneto-J_sc確定的臨界偏壓V_c與激發(fā)Y6分子強度的外偏壓的關(guān)系；

（B）在恒定532nm的激發(fā)強度下激發(fā)供體-PM6，在不同785nm光束強度下激發(fā)Y6分子的I-V特性。

圖4 體相異質(zhì)結(jié)（ITO/ZnO/C60-SAM/PM6:Y6/MoO₃/Ag）中的太陽光感應(yīng)Magneto-J_sc信號

（A）采用短通和長通濾光片激發(fā)供體-PM6和受體-Y6分子，將太陽光照射光譜分為光譜區(qū)-I和光譜區(qū)-II；

（B）在光譜區(qū)-I和光譜區(qū)I+II激發(fā)的Magneto-J_sc圖。

圖5準2D鈣鈦礦太陽能電池[ITO/PEDOT:PSS/(PEA)₂MA₄Pb₅I₁₆ /PC₆₁BM/PEI/Ag]的自激解離

（A）在不同模擬太陽光下的Magneto-J_sc圖；

（B）每個激發(fā)強度下的Magento-J_sc與外部反向偏置之間的關(guān)系。

圖6 在ITO/ZnO/C60-SAM/PM6:Y6/MoO₃/Ag器件中的激發(fā)非富勒烯受體-Y6分子和供體-PM6分子

（A）Magneto-J_sc；

（B）Magneto-J_sc 與外部反向偏置；

（C）I-V特性。

圖7 Y6分子中的光誘導體極化

（A）非富勒烯受體-Y6分子中的受電子和供電子的示意圖；

（B）在受體-Y6活性層器件[ITO/ZnO/C60-SAM/Y6/MoO₃/Ag]中模擬太陽光下不同光激發(fā)強度下的電容頻率特性；

（C）在模擬太陽光下，采用不同激發(fā)強度下，在1×10⁶ Hz時，磁電容顯示體極化。

【小結(jié)】

這項工作中發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：增加光激發(fā)強度，會導致完全解離非富勒烯PM6:Y6本體相異質(zhì)結(jié)太陽能電池[ITO/ZnO/C60-SAM/PM6：Y6/MoO₃/Ag]中D:A界面上的電子-空穴對所需的臨界偏壓降低。從本質(zhì)上講，這種現(xiàn)象提出了一種獨特的機制，即在非富勒烯太陽能電池中發(fā)生自激解離。這種自激解離是通過器件工作條件下用Magneto-J_sc信號監(jiān)測，以及確定完全解離電子-空穴對，同時分別激發(fā)供體-PM6和受體-Y6分子。本質(zhì)上，隨著光激發(fā)的Y6分子的增加，降低在D:A界面上完全解離電子-空穴對所需的臨界偏壓，在非富勒烯PM6:Y6本體相異質(zhì)結(jié)太陽能電池的D:A界面處發(fā)生自激解離。高效的準2D鈣鈦礦太陽能電池缺乏自激解離作用，其中光激發(fā)強度的增加導致完全解離電子-空穴對所需的臨界偏壓增加。通過光激發(fā)依賴性磁電容測量，來排除光生載流子和離子的參與，光激發(fā)受體-Y6分子可以在雙極極化狀態(tài)下增加體極化，從而導致空間分布的分子內(nèi)偶極子引起光激發(fā)增加的體極化。因此，在非富勒烯PM6:Y6體異質(zhì)結(jié)太陽能電池中，自激解離是由光激發(fā)Y6分子的光激發(fā)增加的體極化引起的，從而獲得高效率的光伏作用。

文獻鏈接Self-Stimulated Dissociation in Non-Fullerene Organic Bulk-Heterojunction Solar Cells（Joule DOI: 10.1016/j.joule.2020.09.005）。

【推薦閱讀相關(guān)的文獻及課題組簡介】：Y6分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計開發(fā)（Single-Junction Organic Solar Cell with over 15% Efficiency Using Fused-Ring Acceptor with Electron-Deficient Core, Joule DOI: 10.1016/j.joule.2019.01.004）；Y6體系的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系（Delocalization of exciton and electron wavefunction in non-fullerene acceptor molecules enables efficient organic solar cells, Nature Communications DOI: 10.1038/s41467-020-17867-1）

葉軒立，華南理工大學發(fā)光材料與器件國家重點實驗室教授，兼任華南協(xié)同創(chuàng)新研究院印刷有機太陽電池創(chuàng)新中心主任。目前的研究方向主要集中于協(xié)同利用材料、界面和器件工藝等策略提高聚合物及鈣鈦礦光電器件的性能。在Nature, Science, Nature Photonics, Nature Commun., Joule, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Energy Environ. Sci. 等期刊發(fā)表SCI研究論文220余篇，論文被引用23000余次，H-指數(shù)為79，并連續(xù)于2014至2019年度入選全球“高被引科學家”。葉軒立教授課題組主要有三個大研究方向，分別是：有機光伏、鈣鈦礦光伏、鈣鈦礦發(fā)光。其中有機光伏主要集中研究當今高性能體系的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系進一步發(fā)展更高性能的體系、器件穩(wěn)定性研究、大面積模組器件的開發(fā)、半透明器件及其應(yīng)用探索等方向。

投稿以及內(nèi)容合作可加編輯微信：cailiaokefu，我們會邀請各位老師加入專家群。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。