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  通過向高效的雙組份太陽能電池活性層中加入第三組分來制備三組分太陽能電池是目前最廣泛使用的提高光伏器件效率的策略之一。然而，第三組分的引入往往會對給體或受體的結晶性、以及給/受體相分離尺寸產生負面且不可控的影響，使得器件的工作參數很難得到全面提高，同時也極大地影響了器件的穩(wěn)定性。因此，對于三組分太陽能電池，活性層結晶行為以及相分離尺寸的精準調控是目前的難點之一。

  近年來，陳義旺教授課題組在有機太陽能電池活性層結晶性和相分離尺寸精準調控方面做了大量工作，建立了一系列對活性層的結晶性，以及相分離尺寸進行精準調控的方法，并因此大幅度提高器件的效率及穩(wěn)定性。例如，使用液晶分子、高結晶聚合物納米線、混合溶劑處理活性層，可以有效調控給體相結晶性，提高異質結界面穩(wěn)定性。而使用低沸點添加劑丁二硫醇代替常用的二碘辛烷，由于丁二硫醇較易揮發(fā)，在調節(jié)并改善活性層形貌的同時，阻止了自由基引發(fā)光降解，提高了玻璃化轉變溫度，進而改善了器件的光和熱穩(wěn)定性。(Macromol. Rapid Commun. 2017, ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, J. Phys. Chem. C 2015a, 2015b, Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 2016, J. Mater. Chem. A 2016, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2017 Invited article, Mater. Chem. Front. 2017 Invited article)。此外，課題組通過Huggins參數研究三元組分的形貌演變，建立了三元組分有機太陽能電池相行為形成規(guī)律。并基于超薄Ag作為透明電極制備了三元半透明器件，器件效率高達9.2%。(J. Mater. Chem. C 2017, Adv. Funct. Mater. 2018)。

  在此基礎上，陳義旺教授和諶烈教授研究團隊針對三組分太陽能電池活性層結晶行為及其形貌調控展開了進一步的研究。通過向基于PBDB-T:ITIC體系的雙組份太陽能電池中引入端基四氟取代的中等帶隙非富勒烯受體ITIF，利用“合金”受體調控活性層結晶行為、相分離以及形貌，來進一步提高三組分太陽能電池的填充因子，并通過吸收和能級的優(yōu)化，實現了光伏器件的工作參數，乃至器件效率的全面提升。

  對于受體ITIF，由于具有和ITIC相同的骨架結構，促使其與ITIC混合后形成了新的“合金”受體。而獨特的含氟非平面端基結構，使得ITIF具備了調控“合金”受體結晶性和表面能的能力。因此，通過調節(jié)ITIF的含量，可以方便地對“合金”受體結晶行為，以及活性層給/受體相分離進行調控，進而優(yōu)化活性層形貌，提高了活性層的載流子遷移率和填充因子。此外，非平面端基的引入明顯提高了受體的LUMO能級，同時還擴大了受體帶隙，使之可以彌補PBDB-T:ITIC混合膜在500-600 nm處的光吸收。另一方面，氟原子的增色作用也大大提高了ITIF的吸收系數（ITIC及PBDB-T的1.5倍左右）。受益于ITIF高的吸收系數和兩個受體之間快速的能量共振轉移，相應三組分太陽能電池的短路電流得到了明顯提高。更有趣的是，通過ITIF對“合金”受體能級的影響，還可以實現對開路電壓的精準調控。最終，在引入5% ITIF受體的條件下，由于短路電流，開路電壓和填充因子的全面提升，相應太陽能電池的光電轉換效率從9.2%提高到了10.5%。

圖1. (a) 給體PBDB-T以及受體ITIC與ITIF的結構式；(b) 基于PBDB-T:ITIF:ITIC的三組分太陽能電池工作示意圖；(c) 基于PBDB-T:ITIF:ITIC的三組分太陽能電池J-V曲線圖；(d) 不同濃度下光伏器件開路電壓以及相應能量損失圖。

  該研究為三組分有機太陽能電池的結晶行為調控以及性能的優(yōu)化提供了新的研究思路。相關工作近期發(fā)表在《advanced functional materials》上，南昌大學化學學院博士后呂瑞之為第一作者，南昌大學陳義旺教授和諶烈教授為共同通訊作者。

  原文鏈接：

  Ruizhi Lv, Dong Chen, Xunfan Liao, Lie Chen,* and Yiwang Chen*, A Terminally Tetrafluorinated Nonfullerene Acceptor for Well-Performing Alloy Ternary Solar Cells, Adv. Funct. Mater. 2019, 1805872.

  DOI: 10.1002/adfm.201805872

  https://doi.org/10.1002/adfm.201805872