三元共混体系(Ternary blend)有机太阳能电池 (也称Organic Photovoltaics, OPVs)是一种新型的光伏器件，它由两种给体材料和一种受体材料（或一种给体材料和两种受体材料）共混而成，利用两种不同带隙的材料可以大幅度提高对太阳能光的利用率。然而，目前绝大多数三元OPV的性能低于相应的二元 (binary blend) 器件，这主要是由于三元共混体系的形貌难以优化，第三组分的选择非常严苛，因为要确保活性层内分子之间的有效电荷转移。此外，当三元共混体系包括两个给体和一个受体时，三元OPV的开路电压（VOC）受到给体材料中最高占据分子轨道（HOMO）较高的那个材料限制，因此阻碍了三元组分OPV光电转化效率的提高。
近日，台湾大学汪根欉教授（点击查看介绍）与美国密西根大学Stephen Forrest教授（点击查看介绍）研究团队通过真空蒸镀的方法将两个不同的体异质结 (bulk heterojunction) 结构融合在同一个平面结器件中。在该器件结构中两个体异质结拥有不同的给体和相同的受体，因此具有不同吸光范围。此外，该器件结构类似于串联叠层电池结构，但是消除了中间电极。相同的受体材料保证了光激发产生的电子在两个体异质结中的有效、连续的传输（图1）。特别要指出的是，与传统的三元共混体系太阳能电池VOC 介于两个二元电池VOC 之间不同，该电池VOC 只取决于其中的一个二元电池。因此，研究人员可以通过改变两个二元电池的堆积顺序来实现三元电池VOC 的最大化，从而进一步提高三元电池的光电转化效率。
图1. 三元共混有机太阳能电池、三元双层有机太阳能电池器件构型及工作原理图。
研究人员合成了一系列具有给体-受体-受体'（d-a-a'）结构的可真空蒸镀的小分子材料（图2）。该类型分子都具有较大的基态偶极矩，因此可以和C70受体分子共混后发生相互作用。该作用力可以使给体的HOMO能级在共混薄膜中偏移100-300 meV，从而实现了能级再次调控的目的（图3）。这也是“错误”构型器件可以实现有效电荷传输的原因。温度调节电流密度-电压特性测试进一步验证了该结论。经测定，无论是二元还是三元双层器件都表现出较小的活性能，这表明该器件中没有明显的能级势垒阻碍电荷的有效传输。因此，与“正确”构型器件相比，“错误”构型器件获得了更高的开路电压（0.94 V）和光电转化效率（10.6%）。这一研究结果为克服三元共混体系有机太阳能电池形貌调控以及VOC 短板，加速开发高效有机光伏器件提供了新的思路。
图2. DTDCPB和iBuBDTC的化学结构、紫外可见吸收光谱以及单晶构型图。
图3. 基于DTDCPB: C70和iBuBDTC: C70的紫外光电子能谱图。
相关研究工作发表在近期出版的Journal of the American Chemical Society 上，第一作者为李永玺博士，现为Stephen Forrest教授课题组博士后研究員。本篇论文的通讯作者是美国密西根大学的Stephen Forrest教授与台湾大学汪根欉教授。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Vacuum-Deposited Biternary Organic Photovoltaics
Yongxi Li, Hafiz K. M. Sheriff Jr., Xiao Liu, Chun-Kai Wang, Kan Ding, Han Han, Ken-Tsung Wong, Stephen R. Forrest
J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 18204-18210, DOI: 10.1021/jacs.9b09012
导师介绍
汪根欉
https://www.x-mol.com/university/faculty/35082
Stephen Forrest
https://www.x-mol.com/university/faculty/49509
0
