劉烽&朱海明ACS Energy Lett.: 空穴轉移影響有機太陽能電池中的電荷產生和效能

導語：透過將三個具有代表性的非富勒烯受體（ITIC等）與兩個廣泛使用的聚合物給體（PTQ10、PBDB-T）相結合，共獲得了22種給受體共混物，並結合超快瞬態吸收（TA）光譜和光伏特性，系統地研究了有機太陽能電池中的光誘導空穴轉移（HT）過程。

1.前言

溶液化處理的體異質結有機太陽能電池（OSCs）近年來得到了迅速發展，非富勒烯受體（NFA）的出現推動單結器件的光電轉換效率（PCE）突破18%。OSCs器件中的一個關鍵步驟是由給體/受體材料中的激發態（D*或A*）和電荷轉移（CT）態之間的能量偏移進一步驅動活性層材料在介面上的電荷轉移。相反，這種能量偏移（通常稱為驅動力）在OSCs中佔電壓損失的很大一部分。因此，以最小的驅動力誘導有效的電荷分離同時獲得高光電流和高電壓至關重要。

事實上，目前關於驅動力如何控制空穴傳輸（HT）速率、效率和最終器件效能仍不清楚，與此相關的是Marcus電子轉移模型是否能夠提供合適的解釋。除了能量學之外，形貌學包括疇尺寸、結晶順序和相分離，也影響著載流子運輸性質從而對器件效能起著關鍵性作用。理想的體異質結形貌應形成具有大介面區域和多尺度的雙連續互穿網路，同時確保激子解離和載流子運輸的有效性。

圖1：相關給受體結構

2.簡介

基於上述的因素，近日，上海交通大學劉烽教授團隊與浙江大學朱海明研究員團隊展開合作，結合超快瞬態吸收（TA）光譜和光伏特性，系統地研究了NFA OSCs中的光誘導HT過程。研究人員透過將三個具有代表性的NFAs系列與兩個廣泛使用的聚合物給體相結合，共獲得了22種給受體共混物，ΔGHOMO的範圍從-0。34至0。42 eV。此外，他們還考慮了激發態和初末激子性質（−ΔGCV），從而估算了驅動力，−ΔGCV的範圍從-0。02至0。48 eV，同時對於所有共混物，HT速率在1。7×10e10 s-1和3。1×10e12 s-1之間。

圖2：相關給受體共混物的瞬態吸收測試

隨著驅動力的增加，HT速率增加了2個數量級以上。這表明OSCs共混物的HT過程以非絕熱方式發生，驅動力透過降低活化能影響HT速率。除了HT速率強烈依賴於驅動力，HT效率則取決於HT過程和NFA固有激子弛豫之間的競爭，只要驅動力超過50 meV，HT效率則可以超過80%，這就為更高效HT設定了一個重要閾值。這一研究結果解釋了為什麼在高效率的NFA OSCs中，一個小的驅動力就可以產生如此高的光電流。此外，多變數相關分析表明，驅動力和奈米級形貌共同決定了器件效能。驅動力和形態的解耦可以影響OSCs薄膜特性，有利於設計電子侵略性給受體混合物以及最佳化相分離和薄膜傳輸域。

圖3：空穴轉移速率模擬分析

3.總結

綜上，該工作不僅從不同的方面展示了形貌和驅動力對器件效能的影響，證明了有效的空穴轉移和有效的載流子運輸是實現高PCE的關鍵引數，同時也為實現高效的NFA OSCs提供了重要的設計原則。相關研究成果現已發表在《ACS Energy Letters》上，題為“Marcus Hole Transfer Governs Charge Generation and Device Operation in Nonfullerene Organic Solar Cells”。

本文關鍵詞：有機太陽能電池，非富勒烯受體，空穴轉移，載流子運輸，PTQ-10，PBDB-T。

4.材料

PBDB-T：1415929-80-4

PTQ10：2269476-13-1

ITIC：1664293-06-4

IT-4F：2097998-59-7