具有帶隙高度可調(diào)、質(zhì)輕、柔性、低成本等顯著特點(diǎn)的有機(jī)太陽能電池是新一代光伏技術(shù)的重要發(fā)展方向。有機(jī)太陽能電池受限于有機(jī)材料“窄吸收”特性，二元共混薄膜難以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的有效寬光譜利用，并且始終存在相共混（利于激子解離）和相分離（利于電荷傳輸）這對(duì)基礎(chǔ)性矛盾，制約了有機(jī)光伏器件性能的進(jìn)一步突破。三元有機(jī)太陽能電池保持單節(jié)電池結(jié)構(gòu)，在二元活性層中引入吸收互補(bǔ)的第三組分，增強(qiáng)光譜吸收。盡管三元電池取得了一定成功，但仍面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其核心問題在于對(duì)三元共混薄膜難以實(shí)現(xiàn)清晰、有效的形貌控制，用以同時(shí)保證高效的激子解離和電荷傳輸，因此，已報(bào)道三元電池性能提升幅度較低。 

 

         在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的支持下，中國科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題組科研人員利用前期發(fā)展的噻吩并噻吩類光伏受體新材料NITI（Adv. Mater. 2017, 29, 1704510.），合理選擇二元體系，構(gòu)筑了具有“分級(jí)結(jié)構(gòu)”的三元活性層形貌，實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)化效率的大幅提升，闡釋了形貌對(duì)光電過程和器件參數(shù)的決定性影響，相關(guān)論文發(fā)表在 Nature Energy 雜志上（DOI：10.1038/s41560-018-0234-9）。 

 

        三元共混薄膜分別選取了強(qiáng)結(jié)晶、寬帶隙電子給體材料BTR，弱結(jié)晶、窄帶隙電子受體材料NITI和具有強(qiáng)聚集和優(yōu)異電子傳輸特性的富勒烯受體PC71BM，三者形成了有利的梯度電子結(jié)構(gòu)和互補(bǔ)光吸收。經(jīng)器件優(yōu)化制備，上述三元器件在300nm最佳膜厚下取得最高13.63%（平均 13.20%）光電轉(zhuǎn)換效率，相對(duì)二元器件性能提升幅度高達(dá)51%和100%，這不僅是全小分子太陽能電池的最高性能記錄，也是性能最優(yōu)的厚膜 (>200 nm) 有機(jī)太陽能電池。他們聯(lián)合上海交通大學(xué)和瑞典林雪平大學(xué)相關(guān)課題組合作，提出“分級(jí)結(jié)構(gòu)”的三元活性層新形貌：NITI和BTR高度共混，形成有利于電荷分離的小相分離精細(xì)結(jié)構(gòu)，PC71BM在BTR和NITI共混區(qū)外圍形成大尺度的相分離結(jié)構(gòu)和有利的face-on堆積。研究者證明了NITI受體在光電過程中發(fā)揮了重要作用，它一方面抑制BTR和PC71BM的接觸，使得三元器件獲得了和二元器件 (BTR:NITI) 相當(dāng)?shù)牡蛽p耗開路電壓；PC71BM在活性層中形成了電子傳輸高速通路，將NITI分離的電子有效輸運(yùn)至電極，從而同時(shí)保證了高的外量子效率(EQEs) 和填充因子（FF）。（來源：中科院化學(xué)所）

 

圖1. 化學(xué)結(jié)構(gòu)、能級(jí)排布、吸收光譜和器件性能

 

       總體而言，該工作設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了有機(jī)三元電池活性層新形貌，充分發(fā)揮了小分子和富勒烯電子受體在有機(jī)太陽能電池中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高開壓、高電流和高填充因子，為有機(jī)三元電池活性層形貌調(diào)控提供了新思路。 

 

圖2. 分級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖和有機(jī)太陽能電池性能統(tǒng)計(jì)