【光伏】任广禹&张春峰Nat. Energy：实现高效有机太阳能电池的新机制调控
自1980年第一例有机太阳能电池（OPVs）发明以后，以本体异质结结构（BHJ）为主导的OPVs实现了高速发展。近年来，两个明星分子ITIC和Y6的发现极大地推动了OPV光电转换效率的飞速提升。这些都说明了材料的开发决定了有机光伏的未来，而其背后物理工作机制也随着材料的变化不断完善和更新。
一直以来，在有机光伏中三线态激子（T1）的形成对有机光伏器件的性能有着显著的影响，但其背后的影响机制并不是特别清晰。2013年，英国科学家Richard Friend就提出了通过控制载流子波函数离域的方式来实现T1的抑制，并在2021年再次提出T1的改变直接与开路电压损失（Voc loss）有关。然而这些研究都是基于不同的材料体系，通过对比T1形成更少的材料体系来证明抑制T1的生成对于有机光伏性能的提升机制。因此，这里面一直有一个疑问：不同材料体系中，不同的材料具有不同的性质和性能是很正常的，比如T1的多少，光电压的改变，所以T1与光电压之间的直接关系不是很清晰，那么如何实现在同一材料体系下T1的调控以及是否能直接观察到T1与Voc的关系变化，始终没有过研究和验证。
近日，香港城市大学的任广禹教授团队基于课题组前期在逐层沉积器件制备技术与材料性能关系上的新发现（Nat. Commun. 2021, 12, 468），通过选择强聚集性质的给体聚合物D18配合Y6系列小分子受体，理论计算模拟分子间的相互作用行为，精确薄膜性质调控实现了超过19%的光电转换效率并在美国Newport光伏实验室进行了认证，同时与南京大学张春峰教授团队合作，通过超快光谱表征技术，分析了逐层沉积形成的平面混合异质结（PMHJ）与传统BHJ结构里面的激子和载流子动力学行为。该工作为理解高效PMHJ结构的有机太阳能电池工作机制提供了强有力支撑。本论文通讯作者是港城市大学任广禹、Francis (Ray) Lin、南京大学的张春峰；第一作者是蒋奎（港城市大学）、张杰（中国科学院深圳先进技术研究院）、钟成（武汉大学）。
减少激子结合能有助于实现PMHJ微观结构的有机太阳能电池。通过理论计算和超快光谱分析，课题组发现在给体聚合物和受体小分子中都存在一个离域的激子单线态（DSE），这降低了实现电荷分离所需要克服的激子束缚能，同时，超快光谱表征证实受体小分子薄膜中的DSE可以跃迁至电荷分离态，即激子分离过程并非必须通过在给受体（D/A）界面处形成电荷转移态（CT）后才可实现，而这一机制保证了PMHJ晶体结构中D/A界面少的情况不会成为激子解离生成自由载流子的限制因素。