香港城大任廣禹&浙大陳紅征團隊Nat. Nanotech.：高效多組分有機太陽能電池的稀釋效應

【引言】

OSCs因使用柔性基板的低成本卷對卷制造而引起了很多關注。與無機物相比，相對較低的功率轉換效率（PCE）是OSC的主要挑戰之一。研究發現，構建MC-OSCs（如基于三元混合物的MC-OSCs）可以通過抑制非輻射電荷重組來降低開路電壓（V_OC）的損失，從而獲得超過18%的高性能。在這些高性能的MC-OSCs中通常觀察到與成分相關的VOC變化。此前，有人提出了一種并聯工作機制來解釋大大改善的三元OSCs的短路電流（J_SC）。同時，能量轉移和電荷轉移模型從載流子動力學角度解釋了三元OSCs的工作機制。然而，在上述模型的基礎上，光電壓應固定在供體-受體（D-A）對的低V_OC上。然而，三元OSCs中電荷轉移能量的變化和電荷復合位點的來源仍然不清楚，特別是考慮到兩種電荷轉移狀態（或D-A界面）的共存。此后，缺少對MC-OSC的基本理解，這給器件優化的最佳材料組合提出有效的設計規則帶來了困難。

【成果簡介】

近日，在香港城市大學任廣禹教授和浙江大學陳紅征教授團隊等人帶領下，將“稀釋效應”作為MC-OSCs的機制，其中兩種高度混溶的成分在分子中相互混合。與聚集誘導的非輻射衰減相反，稀釋效應通過抑制電子-振動耦合使MC-OSCs具有更高的發光量子效率和開路電壓（V_OC）。持續加寬的帶隙以及減少的電子振動耦合也很好地解釋了三元混合物中與成分相關的V_OC。此外，我們還證明了電子可以在不同的受體之間轉移，這取決于它們之間的能量偏移，這有助于MC-OSCs中基本不受干擾的電荷傳輸和高填充因子。稀釋效應的發現使MC-OSC的高功率轉換效率達到18.31%。該成果以題為“Dilution effect for highly efficient multiple-component organic solar cells”發表在了Nat. Nanotech.上。

【圖文導讀】

圖1 發光物質 (4TIC) 和稀釋劑分子 (ITIC) 的稀釋效應和光電特性示意圖

a、稀釋效果示意圖，能譜圖（單位，eV），ITIC和4TIC分子結構，用溶劑或固體稀釋。

b、質量比為1:0、95:5、9:1、8:2、7:3、5:5、3:7和0:1的ITIC-4TIC混合時，吸收光譜顯示輕微藍移。a.u,任意單位。

c、質量比為1:0、95:5、9:1、8:2、7:3、5:5、3:7和0:1的ITIC-4TIC混合物的PL光譜。插圖:歸一化PL光譜顯示混合時的藍移。

d、ITIC, 4TIC及其混合物（ITIC與4TIC之比，95:5，wt%）的瞬態PL光譜的偽彩圖。白線表示峰中心隨時間的變化。

e、4TIC-ITIC混合薄膜隨成分變化的最大發射/吸收峰值能量（穩定）、HR參數和PL量子產率。

f、稀釋效應降低S和增加帶隙的Frank-Condon（FC）原理圖。

圖2 從4TIC-ITIC薄膜到具有不同ITIC負載的MC-OSCs的遺傳稀釋效應

a）EQE光譜。

b）電致發光光譜。

c）ELQE曲線。

d）J-V特性曲線。

e）隨ITIC含量變化的V_OC。V_OC損耗和帶隙。

f）V_OC和J_SC對光伏帶邊緣的變化。

g）不同ITIC含量的PBDB-T-4TIC的V_OC損失分析和電荷傳輸性能：非理想V_OC損失（黑色）、非輻射V_OC損失（紅色）和非理想輻射V_OC損失（綠色）。

h）隨ITIC含量變化的帶隙、HR參數、ELQE，計算帶隙和HR參數均變化時的無輻射衰變部分（底部的紅色曲線），計算帶隙變化但HR參數固定時的無輻射衰變部分。

圖3 PBDB-T、ITIC和4TIC之間的載體動態

a）4TIC、ITIC和ITIC-4TIC混合物的原始薄膜的光誘導吸收（OD）光譜。混合薄膜在850?nm（黑色）和700?nm（紅色）處被激發。

b）ITIC和4TIC之間的電荷和能量轉移過程的示意圖，以及三元共混物中的電荷和能量轉移的示意圖。

c）500 nm激發后GSB特征的動力學痕跡。

d）在500和850?nm激發下，三元共混物在不同泵浦-探測延遲下的瞬態吸收光譜。

圖4 混合薄膜中的電荷傳輸行為

a）用B?ssler模型和滲流限制模型擬合的6TIC-4F-PS和Y6-PS混合物的隨濃度變化的電子遷移率。

b）以ITIC和ITIC-4F為稀釋劑，相互稀釋6TIC-4F受體混合薄膜的遷移率演變比較。

c）在嵌入限制的情況下，受限和不受限的遷移率變化。

圖5?稀釋策略的擴展系統

a、b）帶有ITIC-4F的PM6-6TIC-4F的J-V曲線（a）和EQE光譜（b）。

c、d）帶有ITIC-4F的PM6-Y6的J-V曲線（c）和EQE光譜（d）。

e、f）PM6-BTP-eC11在加入或不加入BTP-S2稀釋劑時的J-V曲線（e）和EQE譜（f）。

【小結】

綜上所述，團隊證明了稀釋效應是MC-OSCs的工作機制。通過混合兩個可混溶的受體分子，由于振動耦合的抑制和帶邊的銳化，V_OC損失減少。隨著能帶隙的增大，稀釋效應很好地解釋了MC-OSCs中V_OC損失的減少和隨成分變化的V_OC行為。時間分辨光譜學和電學特性的結果表明，稀釋劑作為電荷轉移和傳輸的中間步驟，而不影響電子遷移，可容納MC-OSCs中實現的高FFs。在稀釋效應的基礎上，推導出材料選擇規則，使器件的性能得到普遍的改善。結果獲得了18.31%的最佳PCE，這是文獻中報道的OSC的最高效率之一。

文獻鏈接：Dilution effect for highly efficient multiple-component organic solar cells（Nat. Nanotech.，2021，DOI：10.1038/s41565-021-01011-1）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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