【引言】

有機太陽能電池是非富勒富勒烯分子與供體電子(D):受體電子(A)界面形成體相異質結，解離光生成的烯有相異高結合能的Frenkel激子。近年來，機體激解非富勒烯分子作為電子受體產生有效的質結D:A界面，能夠有效地解離激子。太陽在非富勒烯太陽能電池中，池中D:A界面必須提供一種解離Frenkel激子的離材料牛強大庫侖引力，才能產生光電流。非富勒光激發會引起非富勒烯分子內供體電子和受體電子之間的烯有相異分子內電荷轉移，導致有機太陽能電池中D⁺和A^-提供電能分解的機體激解高結合能Frenkel激子。研究表明，質結在非富勒烯本體相異質結中，太陽當D和A之間的池中能量偏移減小時，激子解離仍然可以有效地發生。離材料牛在非富勒烯（PM6:Y6）體異質結中，非富勒光電流與外部偏壓無關。此外，在D:A界面上，可以迅速發生電荷轉移。在非富勒烯太陽能電池中，D:A本體相異質結形成時具有有效的內力，使激子解離，解離后的載流子流向各個電極，產生光電流。與此同時，非富勒烯-異質結中的高能紊亂也得到了抑制，降低了光伏損耗。在非富勒烯太陽能電池中，光激發的D:A本體相異質結是相互作用的，以減少由不均勻引起的高能紊亂，實現高效電荷傳輸，獲得高效的光伏效率以及超過16％功率轉換效率的有機太陽能電池。

【成果簡介】

近日，中國華南理工大學的葉軒立教授以及美國田納西大學的Bin Hu教授（共同通訊作者）等人發現非富勒烯太陽能電池中的施主：受主界面發生的自激解離，以完全分離電子-空穴對，實現高效的光伏作用。通過原位監測，D:A（PM6:Y6）處的解離與光電流的磁場作用相交，隨光激發強度的逐漸增加而增加，一旦非富勒烯Y6分子被光激發，D:A界面的解離變得容易。這是一種增加光照來識別的自激解離現象，用光電流的磁場效應監測該解離。研究發現，在1 MHz下，光激發Y6分子會產生一個偶極極化信號，在PM6:Y6系統中產生光激發體極化。從本質上講，具有光誘導偶極極化的光激發非富勒烯Y6分子能夠在D:A界面完全分離電子-空穴對，在非富勒烯有機太陽能電池中開發高效光伏電池，從而實現自激解離。相關成果以“Self-Stimulated Dissociation in Non-Fullerene Organic Bulk-Heterojunction Solar Cells”發表在Joule上。

【圖文導讀】

圖1 PM6：Y6體相異質結太陽能電池的特性

（A）在體相異質結ITO/ZnO/C60-SAM/PM6:Y6/MoO₃/Ag器件中，采用532 nm和785 nm雙光束分別激發供體-PM6和受體-Y6得到的磁光電流（Magneto-J_sc）圖；

（B）原始PM6和Y6膜的紫外-可見吸收光譜；

（C）在ITO/ZnO/C60-SAM/PM6:Y6/MoO₃/Ag器件中，模擬的太陽光激發，測量的I-V特性圖；

（D）在D:A處由光學產生的電子-空穴對引起的Magneto-J_sc信號的示意圖。

圖2 自激解離的完全淬滅Magneto-J_sc信號的關鍵偏置監控

在785 nm光束的不同激發強度下與偏壓有關的Magneto-J_sc：

（A）2.9 mW/cm²；

（B）8.8 mW/cm²；

（C）17.5 mW/cm²。

圖3 自激解離的完全淬滅Magneto-J_sc信號所需的臨界偏置

（A）Magneto-J_sc確定的臨界偏壓V_c與激發Y6分子強度的外偏壓的關系；

（B）在恒定532nm的激發強度下激發供體-PM6，在不同785nm光束強度下激發Y6分子的I-V特性。

圖4 體相異質結（ITO/ZnO/C60-SAM/PM6:Y6/MoO₃/Ag）中的太陽光感應Magneto-J_sc信號

（A）采用短通和長通濾光片激發供體-PM6和受體-Y6分子，將太陽光照射光譜分為光譜區-I和光譜區-II；

（B）在光譜區-I和光譜區I+II激發的Magneto-J_sc圖。

圖5準2D鈣鈦礦太陽能電池[ITO/PEDOT:PSS/(PEA)₂MA₄Pb₅I₁₆ /PC₆₁BM/PEI/Ag]的自激解離

（A）在不同模擬太陽光下的Magneto-J_sc圖；

（B）每個激發強度下的Magento-J_sc與外部反向偏置之間的關系。

圖6 在ITO/ZnO/C60-SAM/PM6:Y6/MoO₃/Ag器件中的激發非富勒烯受體-Y6分子和供體-PM6分子

（A）Magneto-J_sc；

（B）Magneto-J_sc 與外部反向偏置；

（C）I-V特性。

圖7 Y6分子中的光誘導體極化

（A）非富勒烯受體-Y6分子中的受電子和供電子的示意圖；

（B）在受體-Y6活性層器件[ITO/ZnO/C60-SAM/Y6/MoO₃/Ag]中模擬太陽光下不同光激發強度下的電容頻率特性；

（C）在模擬太陽光下，采用不同激發強度下，在1×10⁶ Hz時，磁電容顯示體極化。

【小結】

這項工作中發現了一個有趣的現象：增加光激發強度，會導致完全解離非富勒烯PM6:Y6本體相異質結太陽能電池[ITO/ZnO/C60-SAM/PM6：Y6/MoO₃/Ag]中D:A界面上的電子-空穴對所需的臨界偏壓降低。從本質上講，這種現象提出了一種獨特的機制，即在非富勒烯太陽能電池中發生自激解離。這種自激解離是通過器件工作條件下用Magneto-J_sc信號監測，以及確定完全解離電子-空穴對，同時分別激發供體-PM6和受體-Y6分子。本質上，隨著光激發的Y6分子的增加，降低在D:A界面上完全解離電子-空穴對所需的臨界偏壓，在非富勒烯PM6:Y6本體相異質結太陽能電池的D:A界面處發生自激解離。高效的準2D鈣鈦礦太陽能電池缺乏自激解離作用，其中光激發強度的增加導致完全解離電子-空穴對所需的臨界偏壓增加。通過光激發依賴性磁電容測量，來排除光生載流子和離子的參與，光激發受體-Y6分子可以在雙極極化狀態下增加體極化，從而導致空間分布的分子內偶極子引起光激發增加的體極化。因此，在非富勒烯PM6:Y6體異質結太陽能電池中，自激解離是由光激發Y6分子的光激發增加的體極化引起的，從而獲得高效率的光伏作用。

文獻鏈接Self-Stimulated Dissociation in Non-Fullerene Organic Bulk-Heterojunction Solar Cells（Joule DOI: 10.1016/j.joule.2020.09.005）。

【推薦閱讀相關的文獻及課題組簡介】：Y6分子結構的設計開發（Single-Junction Organic Solar Cell with over 15% Efficiency Using Fused-Ring Acceptor with Electron-Deficient Core, Joule DOI: 10.1016/j.joule.2019.01.004）；Y6體系的結構與性能的關系（Delocalization of exciton and electron wavefunction in non-fullerene acceptor molecules enables efficient organic solar cells, Nature Communications DOI: 10.1038/s41467-020-17867-1）

葉軒立，華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室教授，兼任華南協同創新研究院印刷有機太陽電池創新中心主任。目前的研究方向主要集中于協同利用材料、界面和器件工藝等策略提高聚合物及鈣鈦礦光電器件的性能。在Nature, Science, Nature Photonics, Nature Commun., Joule, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Energy Environ. Sci. 等期刊發表SCI研究論文220余篇，論文被引用23000余次，H-指數為79，并連續于2014至2019年度入選全球“高被引科學家”。葉軒立教授課題組主要有三個大研究方向，分別是：有機光伏、鈣鈦礦光伏、鈣鈦礦發光。其中有機光伏主要集中研究當今高性能體系的結構與性能關系進一步發展更高性能的體系、器件穩定性研究、大面積模組器件的開發、半透明器件及其應用探索等方向。

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