中国科学院大学黄辉教授、张昕副教授AS：三元给体合金策略调控D:A电荷转移态，有机太阳能电池效率超过19.2%

有机太阳能电池（OSCs）由于其柔性、质轻、半透明等一些独特的优点，受到人们的广泛关注。近年来，随着新材料的开发、器件工程和机理的深入研究，OSCs的能量转化效率（PCE）得到了快速提高。然而，OSCs的PCE仍落后于传统的硅基和新兴的钙钛矿太阳能电池。OSCs大的能量损失（E_loss）是限制其PCE进一步提高的主要因素之一，导致OSCs开路电压（V_oc）相对较低，通常小于0.9 V。因此，进一步降低OSCs的E_loss以改善Voc和PCE至关重要。

与硅基和钙钛矿太阳能电池相比，由于有机材料小的介电常数，OSCs中存在电荷转移态（CT态），其对OSCs的能量损失和器件效率有着巨大的影响。最近，中国科学院大学材料科学与光电技术学院黄辉教授与张昕副教授领导的研究小组通过三元给体合金策略调控给受体界面形成的CT态来降低器件的能量损失，使得单结OSCs的V_oc达到了0.91 V、PCE超过了19.2%。

在本工作中，该团队甄选化学结构相似的PM6和D18-Cl作为给体、L8-BO作为受体制备了三元OSCs。由于PM6和D18-Cl具有好的混溶性，两者在三元活性层中倾向于形成给体合金，该结果通过接触角测试、差示扫描量热法（DSC）和循环伏安法（CV）等测试表征得到了进一步验证。

图1 材料结构与混溶性表征

给体合金的形成有利于在宽的范围内调节PM6:D18-Cl的比例来调节活性层中给体的能级水平，进而调节活性层中给受体界面形成的CT态。三元器件中提高的CT态能量(E_CT)降低了光生电荷产生过程中所需激子解离驱动力引起的能量损失(ΔE_CT = E_g − E_CT)。同时，器件中降低的ΔE_CT还能促进LE和CT态的杂化，进而提高CT态发光并降低非辐射能量损失（ΔE_non–rad）。最终，三元器件能量损失得到明显降低，使得三元器件V_oc达到了0.91 V，为目前报道的PCE超过19%的单结器件最高值。

图2 器件性能与能量损失

这项工作将具有较宽带隙的给体D18-Cl作为第三组份引入到活性层中形成合金给体，在拓展活性层光子俘获范围的同时，调控了活性层形貌、给受体界面CT态，获得了J_sc、V_oc和FF同时得到提升的三元器件，表明三元给体合金策略是降低器件能量损失、提高器件性能的有效方法。

WILEY

论文信息：

Over 19.2% efficiency of organic solar cells enabled by precisely tuning the charge transfer state via donor alloy strategy

Jinhua Gao, Na Yu, Zhihao Chen, Yanan Wei, Congqi Li, Tianhua Liu, Xiaobin Gu, Jianqi Zhang, Zhixiang Wei, Zheng Tang, Xiaotao Hao, Fujun Zhang, Xin Zhang,* and Hui Huang*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202203606

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