Nano Select:三元共混有机太阳能电池的形貌控制机制

随着传统化石能源的日益枯竭以及环境污染问题的日益严峻,人类对绿色可再生能源的需求迫在眉睫。太阳能以其取之不尽、用之不竭的优势成为几十年来人们研究的重点之一。太阳能最具前景的利用方式之一是通过太阳能电池将其转化为电能。在众多的太阳能电池技术中,有机太阳能电池以其原材料来源广泛、重量轻、可通过溶液法加工成大面积柔性器件,制造成本低等优势,受到学术界和工业界的广泛关注。有机太阳能电池迈向实用化的关键是其器件性能和寿命的提升,这离不开新材料的开发、新器件结构和器件工艺的研究。如何最大化活性层对太阳光的吸收能力是提升有机太阳能电池光电转换效率的前提。通过在活性层中引入三种(及三种以上)的具有不同吸收范围的给、受体材料,制备成三元共混有机太阳能电池是改善吸光能力、提升光电转换性能的重要策略之一。通过第三组分的引入以及共混比例的合理调整,也可以对活性层形貌进行优化,促进激子的分离、电荷的传输与收集。然而,第三组分的引入也使得活性层的形貌演变更加复杂。因此,揭示三元组分的形貌控制因子,厘清其中的貌调控机制对今后三元共混有机太阳能电池活性层形貌的精准调控以及性能提升意义重大。

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图 1. 三元共混有机太阳能电池的四种基本形貌示意图

最近,四川大学彭强课题组受邀在Nano Select上发表了题为“Recent advances in morphology optimizations towards highly efficient ternary organic solar cells”的综述文章(DOI: 10.1002/nano.202000012),总结了近年来三元共混有机太阳能电池在形貌调控上取得的成果。他们在已报道的研究工作基础上提出了给、受体组分之间的可混性在形貌调控中扮演的重要作用,总结了几种通过计算Flory-Huggins参数χ来评估给受、体组分之间可混性的方法。然后,他们根据三元组分之间可混性差异将形貌分为:1)有效电荷转移、2)有效电荷传输、3)有效量子产出、4)平衡的电荷转移与传输四种基本形貌,并归纳总结了近年来三元共混有机太阳能电池符合上述形貌机制的研究进展。此外,他们总结了多种形貌机制共存的三元以及多元共混有机太阳能电池的研究进展。最后,他们对三元共混有机太阳能电池的未来发展提出了一些可供参考的设计思路。相信随着新材料的开发以及器件工艺的提升,三元共混有机太阳能电池的研发将会有更多值得期待的突破性进展。