武汉理工大学王涛Nature Energy: 给体/受体稀释的异质结助力高性能有机太阳能电池

有机太阳能电池（OSCs）作为一种极具前景的低成本、轻量化和柔性光伏技术，在过去十年中受到广泛的关注。尽管近年来OSC发展迅速，单结太阳能电池的光电转换效率（PCE）超过19%，但OSC的性能仍然受到非理想载流子产生、传输和收集过程的限制，难以进一步提升。与硅和钙钛矿等高度结晶的无机/杂化半导体不同，有机半导体的结构有序性通常很低，使OSC产生低电荷迁移率和严重的双分子复合，导致能量损失。目前，OSC体系仅实现了约80%的填充因子（FF），远低于无机光伏体系的85%以上的FF。在OSC中构建有序的分子聚集结构已被确定为实现高电荷传输和低电荷复合的一个关键条件。

针对以上问题，武汉理工大学王涛课题组通过稀释的异质结提升有机光伏半导体材料的结构有序性，通过P型和N型半导体之间的偶极-偶极相互作用诱导结构有序，提升半导体材料的光吸收和电荷输运性能，使有机太阳能电池的效率达到19.4%（认证效率19.1%）。

在这项工作中，作者通过向P型电子给体中加入少量的N型电子受体，或向N型电子受体中加入少量的P型电子给体，构筑了稀释的P/N异质结。研究发现，这些具有相反电负性的P型和N型分子之间的偶极-偶极相互作用促进了异质结中半导体分子的有序聚集，表现出光吸收的增强或红移，以及结晶度的增强）。该研究涉及的P型半导体包括PM6、PTQ-10、PTB7-Th，N型半导体包括C8-R（即具有不同烷基链的C8-12、C8-16、C8-20）、L8-BO、ITIC。这种稀释异质结诱导结构有序的效应在这些体系均表现出普适性，最终增强了光伏电池的性能，其中经过给体/受体稀释异质结调控的PM6/L8-BO体系实现了19.4%的效率（第三方认证效率为19.1%）。

图1：PM6/C8-12稀释异质结增强光吸收和结构有序性。

图2：PM6/C8-12、C8-16和C8-20稀释异质结增强光吸收和结构有序性。

图3：单层或双层稀释异质结增强PM6/C8-12、PM6/C8-16和PM6/C8-20有机太阳能电池的光伏性能。

图4：PM6/L8-BO稀释异质结增强光电性能和结构有序性，提升PM6/L8-BO光伏器件效率，最高达到19.4%。

这种P/N稀释异质结促进半导体分子聚集体的结构有序性的发现，不仅仅是对太阳能电池，对其他有机光电器件，如场效应晶体管和热电器件，也将产生深刻影响。

该论文以“Donor–acceptor mutually diluted heterojunctions for layer-by-layer fabrication of high-performance organic solar cells”发表在Nature Energy上（Nature Energy, 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-023-01436-z），王涛教授为唯一通讯作者；第一作者是博士研究生汪亮。本研究得到了国家自然科学基金的支持。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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