香港科技大学（广州）吴佳莹团队AM：高效单组份有机太阳能电池抑制供体/受体界面电荷复合新机制

第一作者：李瑶
通讯作者：吴佳莹 通讯单位：香港科技大学（广州） 

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该论文重点探讨了单分子双揽聚合物（double cable polymers, DCPs）在高能量转换效率（PCE）方面相较于二元共混物的优势，主要归因于其减缓的复合速率。减缓复合速率的原因有两个：首先，DCPY2的物理屏障限制了供体和受体单元的电子波函数重叠，从而使电子和空穴在空间上分离得更远，有效抵抗复合（见图6）；其次，DIO添加剂进一步促进了DCPY2中受体的聚集，帮助电荷离域化克服库仑吸引力，从而抑制双核和非孪生复合。因此，调节供体与受体的界面对于减少电荷复合并保持高效电荷产生至关重要。

【背景介绍】

近年来，有机太阳能电池（OSCs）的研究取得显著进展，光电转换效率（PCE）已接近20%。然而，商业化进程仍受高性能二元系统复杂制备工艺和长期热力学不稳定性的限制。传统的体异质结（BHJ）有机太阳能电池在持续光照下易发生严重的相分离，降低了器件的稳定性和效率。为应对这些挑战，研究人员正在探索单组分有机太阳能电池（SCOSCs）的新材料和设计策略。

双缆聚合物由共轭供体主链和悬挂受体组成，形成两个独立的电子和空穴传输通道。尽管早期使用苝双酰亚胺受体的DCP材料表现中等（< 10%），但近期采用Y型受体的DCP（如DCPY2，图1a）实现了高达13.85%的PCE。与传统BHJ相比，DCP因其共价键合的供体和受体片段而展现出优异的稳定性，抑制了纳米相分离。然而，供体和受体之间的化学连接限制了它们的聚集行为，导致更多的混合区域，因此SCOSC的光伏性能与二元对应物显著不同。

【研究出发点】
与传统的体异质结（BHJ）相比，双缆聚合物（DCP）因其共价键合的供体和受体片段展现出优异的稳定性，并有效抑制了纳米相分离。然而，供体与受体之间的化学连接限制了它们的聚集行为，导致更多混合域的形成。因此，单组分有机太阳能电池（SCOSC）的光伏性能可能显著不同于其二元对应物。在BHJ中，合理控制纳米相分离对于平衡电荷产生与收集至关重要。受体聚集有助于电子波函数的离域，从而抑制成对复合。除了减少成对复合外，适度的纳米相分离也有利于电荷收集，因为它降低了非成对复合率并促进了晶体和渗透域中的电荷传输。然而，过度聚集的供体或受体区域会减少电荷分离通道的供体/受体（D/A）界面。因此，精细控制供体/受体界面对于实现高效电荷产生至关重要，同时保持足够的受体聚集以实现高效电荷收集，从而最终实现高填充因子（FF）的高性能SCOSC。

之前对DCP形貌优化的研究主要集中在分子尺度上，通过调整连接体的长度或改变受体与供体骨架的比例来实现。然而，目前对于DCP基SCOSC的结构-形貌-性能关系的全面理解仍显不足。作为代表性SCOSC材料的DCPY2表现出优异的性能，但其微观结构仍需进一步分析，尤其是在与传统二元体系的载流子动力学方面，尚缺乏深入研究。

【研究内容】

在本研究中，我们旨在探讨使用与不使用DIO处理的单组分材料DCPY2及其二元共混物（PBDBT，见图1a）在光伏性能上的差异。使用DIO处理的DCPY2表现出比二元参考材料更高的填充因子（FF，0.66）、短路电流密度（JSC，23.04 mA cm−2）和光电转换效率（PCE，13.85%），但其开路电压（VOC）因光伏带隙缩窄而降低。通过瞬态光学（transient absorption spectra, TAS）和光电技术（瞬态光电压和电荷提取，TPV/CE）的组合，我们系统研究了FF提高的原因。

研究结果表明，SCOSC中较高的JSC和FF来源于有效的激子猝灭、高电荷分离产率和缓慢的非孪生复合，尽管其迁移率仍低于二元共混物。DIO的添加促进了受体的聚集，提高了迁移率，同时改善了电荷分离并进一步降低了DCPY2中的非孪生复合率。随后，我们通过掠入射广角和小角X射线衍射（GIWAXS和GISAXS）测量以及密度函数理论（DFT）模拟，将SCOSC和共混物的光伏特性与其形态变化关联起来。

研究表明，烷基链可以作为空间缓冲链，减少供体和受体部分之间离域电荷的波函数重叠，从而抑制非孪生复合动力学。本研究对DCP基SCOSC的结构-形态-性能关系的深入理解将有助于进一步提升其性能。通过合理控制供体/受体界面，我们可以实现高效的电荷产生，同时减少非孪生复合。将这些关系与相应的二元共混物进行比较，将为选择合适的DCP供体和受体组分及设计连接体特性提供重要参考。

【总结与展望】

在本研究中，我们全面探讨了高效单组分材料及其二元对应物的结构-形貌-性能关系。研究发现，DCPY2中供体和受体界面的分子控制对抑制电荷复合具有显著影响。DCPY2中的烷基链作为化学屏障，允许电荷在供体/受体（D/A）界面离域，从而有效抵抗电荷复合，同时依然能有效产生电荷。

添加DIO后，DCPY2中Y-O6的伪纯域（pseudo-pure domain）通过增强分子内和分子间堆积得到了提升，进一步促进了自由电子和空穴的离域。这使得DCPY2（5%DIO）在较慢的复合速率下，仍保持较高的填充因子（FF），并在电荷积累增加的情况下维持较高的短路电流密度（JSC）。与二元混合物相比，DCPY2中有效电荷产生的增加与光吸收和EQE的红移一致，这主要归因于DCPY2减少的带隙。

通过供体和受体之间的化学连接进行的分子控制，导致DCPY2相对于混合物的吸收红移行为和较小的光学带隙。这是由于烷基连接体将受体单元限制在单组分基质中，形成与纯Y-O6结构不同的堆积行为。尽管DCPY2（5% DIO）的开路电压（VOC）略有降低，但由于显著抑制了电荷复合，最终实现了13.85%的高效率。

DIO的添加提高了DCPY2中的迁移率，得益于从二维到伪三维电荷传输通道的转变，尤其是在更为聚集的Y-O6区域中。然而，DCPY2的迁移率仍比共混物低一个数量级，这表明在分子控制方面仍需进一步努力，以构建高维电荷传输通道，从而进一步提升光电转换效率（PCE）。

06参考文献

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【课题组介绍】

吴佳莹教授现担任香港科技大学（广州）功能枢纽先进材料学域助理教授、香港科技大学工学院化工与生物分子工程系兼职助理教授。吴教授于2013年获得电子科技大学（微电子与固体电子学院）学士学位；随后在英国伦敦帝国理工学院获得硕士（2013-2014）和博士学位（2015-2019），师从世界顶尖光电物理化学学家、英国皇家科学院院士 - James R. Durrant教授；后继续在Durrant课题组从事博士后研究（2019-2021）。

吴教授的研究方向为材料光物理与器件物理。其研究的材料主要运用于有机/钙钛矿太阳能电池和光电探测器等光电转化领域。她的研究主要通过超快吸收光谱以及瞬态光电等光谱实验手段，研究光电材料的作用过程中的载流子动力学，分析解释材料和器件的作用机理，为材料设计和器件优化提供指导思路。吴教授带领的材料先进表征与分析团队，旨在攻克新型材料与技术中的基础难题。课题组具有充足的科研经费、实验室空间和全新的实验设备，欢迎报考硕士、博士，申请联培研究生、科研助理和博士后。