香港科技大学颜河团队：通过三元策略制备能量转换效率16.68%的铸态有机太阳能电池

本体异质结（BHJ）有机太阳能电池（OSC）由于其可加工性、半透明性、机械耐久性以及潜在的低成本生产而成为最有前途的下一代光伏技术之一。受益于材料设计和设备工程开发的快速发展，OSC的能量转换效率（PCE）已超过17％。在这些顶级效率中，基于三元共混物的OSC占有相当大的比例，这是因为第三部分能够调节能量水平，补充吸收并纠正形态缺陷。因此，人们普遍认为三元策略在改善设备性能方面具有广阔的前景。

颜河教授课题组通过之前在三元器件方面的大量经验的积累（Energy Environ. Sci. 2018, 11, 3275；Energy Environ. Sci. 2019, 12, 2529；Energy Environ. Sci. 2020, 13, 2115；ACS Energy Lett. 2020, 5, 2711等），针对目前因形貌原因导致的两组二元器件效率较低现象，采用简单易操作的铸态（as-cast，不加添加剂和器件热退火等工艺手段的前提下），充分利用两组二元器件各自优势进行简单的组分配比优化制备三元器件，获得了一种高效的铸态三元OSC器件。

该体系的主体二元混合物由聚合物给体材料PM6和非富勒烯受体材料（NFA）BTP-ClBr1（以下称为NFA1）组成，其铸态PCE为15.23％（图1）；第三组分是非富勒烯受体材料BTP-2O-4Cl-C12（简称为NFA2），其铸态二元器件与PM6组合显示的PCE为14.27％。基于PM6：NFA1：NFA2（质量1：1：0.2）的最佳无添加剂铸态三元器件中得到的PCE高达16.68％，是铸态的有机太阳能电池的最高效率值。与二元体系相比，PCE的提升是由开路电压（V_OC），短路电流密度（J_SC）和填充系数（FF）的增加获得。V_OC和J_SC的显著增加是因为吸收互补的两种受体材料的结合能更强以及轻微能量转移。此外，一系列实验以及理论模拟表明，NFA2改善了BHJ的形貌，如更强的晶体特征、更有利的相分离和阴极附近NFA的富集（更好的垂直相分离）。最后，作者发现，温和的热退火策略可以将该三元OSC的PCE提升到17.19％，这也是无溶剂添加剂有机太阳能电池的最高数值之一。

该项策略有效解决了效率不够高的材料的利用问题，并为简化其工艺和促进产业化做出了贡献，还证明了采用三元策调控略微观形貌的重要性和有效性。同时也说明，优化器件工艺与设计合成材料同等重要，二者结合相辅相成将进一步提升有机太阳能电池的效率。

图1 给体、受体材料的结构式及其器件效率以及活性层形貌示意图。 

该项工作以“Achieving 16.68% efficiency ternary as-cast organic solar cells”为题，在线发表于SCIENCE CHINA Chemistry。通讯作者为香港科技大学颜河教授、刘焘博士，苏州大学张茂杰教授和齐鲁工业大学郭园博士，第一作者为香港科技大学博士生马睿杰。

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