北大占肖卫团队AM：区别于体异质结基本原理的准同质结有机非富勒烯光伏

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前言回顾

有机太阳能电池（OSCs）具有众多优点，是一种非常有前景的下一代光伏技术。迄今为止，基于稠环电子受体（FREAs）的OSCs光电转换效率（PCE）已达到18-19%。在各种FREAs中，Y6及其衍生物由于其高光伏性能得到了广泛研究。由于大多数有机半导体具有较低的介电常数（~3-4），因此在光激发下本质上会生成具有高结合能（EB）而非自由电荷的Frenkel激子。因此，可以为激子解离提供驱动力的给体（D）/受体（A）界面至关重要。根据研究，D/A相分离尺寸约为10~20 nm的体异质结（BHJ）是有效激子离解和电荷传输的最佳形态。因此，大多数高效优化的OSCs具有近似相等的给受体浓度，而稀释给体或受体浓度将使得D/A界面减少，从而导致激子解离不足、电荷传输不平衡和电荷复合增加。然而，BHJ结构的形态敏感性可能导致加工复杂性、固有能量损失和形态不稳定性，这些都限制了器件性能和重现性。

与BHJ相反，在准同质结（QHJ）中，由极低的给体含量（≤ 10 wt%）嵌入受体基质之中，这一点是不常见的。有趣的是，人们发现QHJ OSCs仍然可以实现有效的电荷传输和收集，但关于空穴如何传输到电极的问题仍然存在争议。一些研究表明，即使在很长的距离内，空穴也会通过长距离隧道效应从给体分子转移到给体分子。然而，富勒烯本身可以作为电子和空穴传输通道的双极性半导体，而以往对QHJ OSCs的研究主要集中在含富勒烯OSCs的电荷传输机制，而不是激子解离机制。在这些体系中，人们普遍认为激子在QHJ器件的D/A界面处解离。

图1. PTB7-Th:Y6和PM6:Y6在不同D:A比下的相关光谱

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文献简介

有鉴于此，近日，北京大学占肖卫教授研究团队系统地研究了基于不同聚合物给体和FREAs的QHJ OSCs。研究发现，基于PTB7-Th:Y6的OSCs在D:A比为1:8或1:20时，PCE可以分别达到优化器件（D:A比为1:1.2）PCE的95%或64%。有趣的是，当稀释给体浓度时，基于其它给体或FREAs的器件PCE急剧下降。通过超快瞬态吸收（TA）、电流传感原子力显微镜（C-AFM）和器件形貌表征，研究人员展示了高效QHJ OSCs的运行机制的全貌。事实上，在经典的BHJ中，激子在D/A界面处解离，生成的电子/空穴通过受体/给体相传输，直到被电极收集。相比之下，在基于PTB7-Th:Y6的QHJ OSCs中，研究人员观察到大量自由电荷在纯Y6相中生成，而非在D/A界面。

图2.QHJ OSCs器件的形貌表征

空穴传输主要遵循两个主要机制：空穴可以从给体传输到给体，和/或空穴可以通过Y6相传输。当只有少量给体存在时，后一种机制占主导，而更少的陷阱辅助重组会促就更纯的Y6相。微量PTB7-Th的主要作用是防止电荷复合，可能是通过增强Y6自身内的四极场来辅助这一行为，而不是通过光吸收、激子分裂和空穴传输。因此，研究人员认为高效QHJ器件应满足以下要求：1）主要成分为高效FREAs材料，具有宽范围的强可见光和近红外光吸收，有效的双极性电荷传输，并且能够在无D/A接口的帮助下自发产生电荷载流子。2）次要成分应为高效p型给体，其能量水平与主要组分FREAs匹配良好，可产生大的开路电压。3）FREAs和给体材料应形成具有大而纯的受体畴的形态，这可以促进电荷传输，减少双分子载流子复合，并通过四极场增强能带弯曲，甚至在FREAs畴内也可以实现电荷分离。

图3.Y6中的激子动力学与PTB7-Th中的空穴动力学

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文献总结

综上，该工作为传统体异质结以外的新型OSCs结构打开了大门，在这种结构中，可以通过改善本征电荷生成和减少电荷复合来提高器件效率，而不仅仅依赖于D/A界面上的激子离解。此外，这种新型器件结构也可以应用于其它应用，如半透明OSCs和近红外光电探测器之中。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“Quasi-Homojunction Organic Nonfullerene Photovoltaics Featuring Fundamentals Distinct from Bulk Heterojunction”。

本文关键词：有机太阳能电池，准同质结，空穴传输，激子解离。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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