林雪平大学高峰／苏州大学陈先凯合作最新《Nature Energy》！
两个增强TOSC中开路电压的设计规则
近年来，有机太阳能电池（OSC）的功率转换效率迅速提高，主要受益于新型非富勒烯受体的发展。最高的OSC效率记录是从将客体成分添加到主体二元混合物中的三元有机太阳能电池(TOSC)中获得的。然而，TOSC的功率转换效率仍然受到大电压损失的限制。对TOSC中开路电压(VOC)的基本理解存在争议，限制了客体组件的合理设计。
鉴于此，瑞典林雪平大学高峰教授与苏州大学陈先凯教授利用详细的平衡原理系统地研究了客体成分如何影响一系列 TOSC 的 VOC 的辐射和非辐射相关部分。研究人员强调，客体二元混合物（即基于客体组分的二元混合物）提供的电荷转移和局部激子态的热分布对非辐射电压损耗具有显着影响。最终，研究人员提供了两个增强TOSC中VOC的设计规则：客体二元混合物的高发射率和主体/客体二元混合物的类似电荷转移态能量；客体组分与主体二元共混物中的低间隙组分的高混溶性。相关研究成果以题为“Origins of the open-circuit voltage in ternary organic solar cells and design rules for minimized voltage losses”发表在最新一期《Nature Energy》期刊上。
【材料系统和VOC的一般描述】
虽然客体成分原则上可以是供体、受体甚至绝缘体材料，但最先进的TOSC主要基于客体成分为受体的系统。其中，富勒烯衍生物已被广泛用作客体组分，并在提高OSC的效率方面取得了巨大成功。因此，作者研究了多种包含富勒烯衍生物作为客体成分的双受体TOSC（即PM6:Y6:PC 71M、PBDB-T:Y1:PC 71BM、PM6:IT-M:Bis-PC 62BM、PM6:ITCC:PC 71BM、PM6:IT-M:PC 71BM和PBDB-T:IEICO-4F:PC 71BM，分子结构如图1a所示）。借助现有理论，作者可以使用实验确定的EQEPV光谱和EQEEL值计算VOCrad和ΔVnr，然后进一步计算TOSC的VOC（图1b）。图1结果表明作者可以分别量化客体成分对 VOCrad 和 ΔVnr 的影响。
图1. 分子结构和成分依赖性VOC
【与成分相关的VOCrad】
图2a、b描绘了三个代表性三元系统中的EQE PV E和EQE PV L，作者发现，除PBDB-T:IEICO-4F:PC71BM三元共混物（称为Case-2）外，大多数三元体系（称为Case-1）中EQEPVE与EQEPVL匹配良好；对于后一种情况，与EQE PV L相比，随着PC71BM成分的增加，EQEPVE边缘表现出更明显的蓝移。Case-1三元系统中匹配的EQE PV L和EQE PV E表明这些三元共混物可以近似为两种二元共混物的线性组合，而在混合过程中不会发生额外的显着形态变化。因为J SC和J0 ,rad可以通过Case-1TOSC的两个二进制设备的线性加权值来再现，所以作者可以简单地使用两个二进制设备的JSC和J0,rad值来计算TOSC的VOCrad。
本工作中基于上述方程计算出的Case-1 三元系统的VOCrad值在图2c、d中绘制为虚线，并且与直接从EQEPV计算得到的值（绘制为散点图）吻合良好。相反，对于Case-2 TOSC，根据EQE PV计算出的V OC rad与根据方程上述预测的值之间存在明显差异，如图2e所示，这是由于三元共混物中 IEICO-4F 的聚集受到抑制。进一步地，作者可以通过将参数a固定为1并将参数b从10-5更改为105，进一步对Case-1三元系统中的VOCrad进行一般预测（图2f，g）。
图2.客体成分对VOCrad的影响
【非辐射复合导致的与成分相关的电压损失】
作者通过研究与成分相关的EQEEL来研究客体成分如何影响TOSC中的ΔVnr。图3a-c描绘了TOSC的EQE EL作为所有三元体系中成分的函数。起点和终点是主体二进制设备和客体二进制设备的EQE EL，并且在所有研究的三元系统中，前者至少比后者大一个数量级。
与EQEEL演化的三种不同趋势相一致，三元器件的EL光谱也呈现出三种不同的情况。作者为图3d-f中的每种情况绘制了一个代表性系统，即PBDB-T:Y1:PC 71BM (Case-1)、PM6:ITCC:PC 71BM (Case-1)和PBDB-T:IEICO-4F:PC 71BM（Case-2）。实验结果表明，ECTH和ECTG的相对能量水平对三元共混物的EQEEL具有重要影响（图3）。作者进一步利用“多状态”模型解释客体成分如何影响Case-1 三元系统中的EQEEL（图3g）。模拟EQE EL曲线中的平坦区域随着PLQY的增加而上升（图3i））。因此，当IEICO-4F的PLQY随着PC 71BM比率的增加而持续增加时，PBDB-T:IEICO-4F:PC 71BM的EQE EL演变首先增加然后减少，如图3i所示。除了抑制ACQ之外，客体PC71BM原则上还可以消除陷阱状态并因此增强PLQY。
图 3. 客体成分对非辐射复合损失的影响
【改善TOSC中VOC的合理方法】
通过全面描绘客体成分如何影响TOSC中V OC的辐射和非辐射部分。结果表明，无论客体组分是否可以显着改变主体二元共混物的形态，VOC在不同的三元体系中都可以得到改善。基于这一新的理解，作者提供了增强TOSC VOC的设计规则：（1）使用具有更高EQEEL的客体二元混合物以及与宿主二进制文件类似的CT状态能量；（2）使用与主体二元共混物中的低光学间隙组分具有高混溶性的客体组分。该设计规则符合高效TOSC的最新发展，并为达到有机太阳能电池的下一个效率水平提供了合理的指导。
图 4. 改善TOSC 中VOC的设计规则
【作者简介】
陈先凯，苏州大学教授，博士生导师。2015年博士毕业于吉林大学（导师：任爱民教授）；2015~2020在Jean-LucBredas教授课题组进行博士后研究；2020~2021在Chihaya Adachi教授领衔的有机光电子中心任副研究员；2021年加入香港城市大学化学系任助理教授、博士生导师。2023年6月加盟苏州大学功能纳米与软物质研究院任职教授、博士生导师。入选国家“四青”人才项目，入选斯坦福大学2022年发布的“Top2% of the World's Most Cited Scholars”榜单，作为子任务负责人参与科技部重点研发计划。
高峰，瑞典林雪平大学教授，2004年和2007年分别获得南京大学物理系学士和硕士学位，2011年获得剑桥大学卡文迪许实验室博士学位，随后加入瑞典林雪平大学。高峰教授的研究方向为可溶液加工的光电器件及机理，主要基于有机和钙钛矿半导体材料，相关工作作为通讯作者发表在Nature, Nature Materials, Nature Photonics, Nature Energy, Nature Electronics等杂志。曾获得瑞典战略研究基金会Future Research Leader、瑞典瓦伦堡基金Wallenberg Academy Fellow、欧洲研究理事会ERC Starting Grant等荣誉，2020年因在太阳能电池和发光二极管领域的机理研究获得瑞典皇家科学院颁发的Tage Erlander Prize。
来源：高分子科学前沿
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