香港城市大學Nature Energy：采用平面混合異質結結構的有機光伏器件中受抑制的復合損失

【導讀】

?有機光伏（OPV）因其在光活性材料中的巨大分子可調諧性而有望成為清潔能源。目前，高性能的有機光伏器件大多采用體異質結結構，在這種結構中，大量的供體-受體(D-A)異質結處形成的電荷轉移態有助于激子解離。然而，來自于光載流子重組的電荷轉移態的自旋特性允許在這些異質結處弛豫到能量最低的三態激子(T₁)，導致光電流損失。目前最高的電能轉換效率(PCEs)為18%，不斷提高OPV性能以達到理論上可實現的值仍然是一個重大挑戰。

【成果掠影】

近日，香港城市大學Francis R. Lin教授和Alex K.-Y. Jen教授和南京大學張春峰教授聯合發現這種損失途徑可以在順序處理的平面混合異質結（PMHJ）裝置中得到緩解，該裝置采用具有內在較弱激子結合強度的給體和受體。PMHJ中減少的D-A混合減輕了D-A接觸處的非雙元復合，限制了弛豫的機會，從而在不犧牲激子解離效率的情況下抑制了T₁的形成。這使得裝置具有>19%的高功率轉換效率。相關成果以“Suppressed recombination loss in organic photovoltaics adopting a planar–mixed heterojunction architecture”發表在Nature Energy上。香港城市大學Francis R. Lin和Alex K.-Y. Jen和南京大學張春峰教授為論文的共同通訊作者。

【核心創新點】

本工作闡明了PMHJ的工作機制，并討論了對材料設計，器件工程和光物理學的影響，從而為未來的有機光伏發電提供全面的基礎。

【數據概況】

圖1|Jablonski圖和用于OPV制造的活性材料。

a、OPV中激發態動力學的圖解：（1）單線態激子的光激發：S₀→LE；（2，4）光激發單線態激子的轉移途徑：LE→¹CT（2）和LE→DSE（4）；（3，5）松散束縛的單線態激子解離成自由電荷：¹CT→CS（3）或DSE→CS（5）；（6，7）通過非雙子復合形成CT狀態：CS→¹CT/³CT，可能帶有¹CT/³CT→CS再填充和旋轉允許¹CT→S₀弛豫；（8） ³CT→T₁弛豫，其中進一步的T₁→S₀弛豫可以通過三重態電荷湮滅發生，導致光載流子的永久損失。b、本研究中使用的D18和兩種主要NFA的分子結構。c、D18、NFAs和D18/NFA PMHJ共混物的薄膜光學吸收。d、材料能級圖（IP：對應于最高占據分子軌道能級的電離勢；EA：對應于最低未占據分子軌道能量能級的電子親和力。）。e、ToF SIMS Se^2? D18/T9SBN-F PMHJ和D18:T9SBN-F-BHJ共混物的離子產率隨濺射時間的變化曲線。插圖顯示了PMHJ和BHJ混合物的示意圖。?2022 Springer Nature

圖2 |光伏電池特性。

a、二元D18/NFA（虛線）和三元D18/NFC:Y6-O（實線）的最佳PMHJ電池的J–V特性。b、優化電池的外部量子效率（EQE）譜（實線）和積分電流密度（虛線）。c、 d，D18/T9TBO-F（c）和D18/T9SBN-F（d）電池的歸一化傅里葉變換光電流譜EQE（FTPS-EQE，灰色線）和電致發光（紅色線）曲線的半對數圖，繪制為能量的函數。FTPS-EQE的低能拖尾在理論上與電致發光通量（?_EL）和黑體輻射光譜（?_BB，在300?K） ，如深藍色虛線所示。?2022 Springer Nature

圖3|TA結果和純材料的MD模擬DSE二聚體。

a–c，D18（a）、T9TBO-F（b）和T9SBN-F（c）的TA曲線。GSB/LE/DSE波段為590/1180/940?納米（D18）；825/915/1,550?納米（T9TBO-F）；840/930/1,600?納米（T9SBN-F）。T9SBN-F膜中~1440處的強ESA帶與通過三重敏化鑒定的NFA中T₁的光譜特征相匹配，可能表明由于重原子效應（硒）導致的有效的單重態-三重態系統間交叉。d–f，促進D18（d）、T9TBO-f（e）和T9SBN-f（f）中DSE形成的代表性填充圖案。離域電子和空穴的分布分別為橙色和藍色。?2022 Springer Nature

圖4 |不同共混物的TA結果。

a、b、e、f D18/T9TBO-f PMHJ（a）和D18:T9TBO-b BHJ（b）、D18/T9SBN-f PMHJ（e）和D18:T9SBN-C BHJ（f）的TA剖面圖。D18:590 nm的GSB波段?。共混物的CS帶：765?nm（D18/T9TBO-F、D18:T9TBO-F）；790?nm（D18/T9SBN-F、D18:T9SBN-F）。共混物的T₁信號：~1440?nm。c、 g，在D18/T9TBO-F和D18:T9TBO-F（c）以及D18/T9SBN-F和D18:T9SBN-F（g）的1440nm處探測ESA信號的TA動力學。d、 h，TA光譜在1000?ps D18/T9TBO-F和D18:T9TBO-F的延時。（d） 以及D18/T9SBN-F和D18:T9SBN-F（h）。箭頭顯示了PMHJ共混物與BHJ共混物相比T₁抑制的趨勢。c、d、g和h中的所有痕跡分別歸一化為每個樣本中相應CS帶的最小值。?2022 Springer Nature

【成果啟示】

總之，作者報告了一種通過在具有本質上減少的D-A異質結的順序沉積PMHJ OPVs中去除重組的CT狀態來緩解非雙子重組的策略，其中抑制的T₁形成可以被觀察為特征。通過使用具有較低激子結合強度的光活性材料，確保了PMHJ電池中的有效激子解離。PMHJ中的工作機制也被闡明，以更好地理解OPV的性能。未來為提高這些PMHJ電池的穩定性和揭示這些高性能器件中V_OC損失的基本機制所做的努力將進一步減少光電壓-光電流的權衡，使PCEs超過20%，從而達到OPV的理論極限。

參考文獻：Jiang, K., Zhang, J., Zhong, C. et al. Suppressed recombination loss in organic photovoltaics adopting a planar–mixed heterojunction architecture. Nat Energy 7, 1076–1086 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41560-022-01138-y