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  近年來，由于非富勒烯稠環電子受體Y6及其衍生物的成功開發，使有機太陽能電池（OSCs）的能量轉換效率（PCE）得到不斷突破，目前單節有機太陽能電池的PCE已超過18%。盡管如此，基于Y6類的非富勒烯受體因其獨特的3D網絡分子堆積方式，在實現更加高效的電荷傳輸的同時，也會帶來分子過度聚集的不利影響。Y6類受體分子的過度聚集通常會造成活性層相分離過大，激子復合嚴重，以及器件的長期穩定性下降。因此，尋找一種既能夠提高器件能量轉化效率，同時又能抑制活性層中分子過度聚集，優化活性層形貌的策略至關重要。向二元共混體系中加入第三組分的三元策略被認為是提高有機太陽能電池性能的一種非常有效的方法。雖然許多這方面的工作都能實現器件效率的提升，但對于解決體系中存在的過度聚集和活性層形貌長期穩定性不佳等問題仍有一定挑戰，特別是第三組分的選擇。例如，在基于PM6:Y6體系的三元有機太陽能電池工作中，大部分第三組分都是和主給受體分子具有類似結構的線型分子，雖然其三元器件性能得到了提升，但是對于改善體系中分子過度聚集的問題效果不明顯，且對于易集聚體系中活性層形貌的長期穩定性調控并沒有優勢。

  針對以上科學問題，近日，江西師范大學陳義旺教授和廖勛凡教授團隊采用星型受體分子TF1作為第三組分，有效解決了體系中分子過度聚集的問題，并且實現了更加高效穩定的三元有機太陽能電池器件。星型受體分子不僅具有類似于線型非富勒烯受體分子的高吸收系數和能級可調的優點，還具有高電子遷移率和各向同性的電荷傳輸特性。此外，其獨特的3D分子骨架具有較大的空間位阻，能夠有效的抑制分子的過度集聚。研究結果顯示，TF1與主給受體都具有較好的相容性，與受體Y6的相容性更好，兩種受體形成了受體合金相，因此可以有效抑制Y6在成膜過程中形成過度聚集。與此同時，TF1薄膜吸收與二元PM6:Y6共混膜的吸收相互補，有利于提高短路電流密度（J_sc）。此外，TF1的LUMO能級遠高于Y6，使得受體合金相的LUMO能級相比于Y6更高，為獲得更高的開路電壓（V_OC）提供了有效保證。基于以上優勢，優化后的PM6:Y6:TF1三元器件的PCE提高到了16.67%，V_OC為0.870 V，遠高于二元器件（PCE=15.62%，V_OC =0.845 V）。更重要的是，研究人員通過連續旋涂的方法制備出的準平面異質結（PPHJ）三元OSCs器件PCE高達17%，是迄今為止PPHJ器件報道的最高值之一，而且穩定性更好。本工作還首次使用飛秒瞬態吸收（fs-TA）光譜和熒光壽命成像技術相結合的方法來證實PPHJ三元器件中激子的解離效率更高，激子擴散長度更長，這也是PPHJ三元器件表現出最佳光伏性能的原因之一。

圖1. （a）PPHJ OSCS的填充因子（FF）對應PCE的總結圖，（b）PM6, Y6 和TF1分子結構式，（c）PM6, Y6 和TF1薄膜的歸一化紫外-可見光-近紅外吸收，（d）PM6, Y6, TF1和Y6:TF1的HOMO和LUMO能級，（e）PM6, Y6 和TF1薄膜的接觸角。

圖2. （a）在AM 1.5G, 100 mW/cm²條件下測得的器件J-V曲線，（b）基于PM6:Y6:TF1含不同TF1比例器件的PCE和V_OC參數，（c）EQE譜圖，（d）J_SC對不同光強度（P_light）的依賴性（e）VOC對Plight的依賴性以及（f）相應器件的J_ph-V_eff曲線圖。

  通過器件研究發現，三元OSCs中的雙分子復合和陷阱輔助復合都被有效的減弱，電荷分離和傳輸更加高效。通過掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）測試探究了Y6純膜和Y6:TF1混合膜的結晶行為。研究發現在加入星型受體TF1后，混合膜的結晶相干長度減小且π-π堆積距離增加，這說明TF1可以有效分散Y6聚集，削弱Y6受體分子間的相互作用，并達到抑制Y6過度聚集的目的。相似的結果在PM6:Y6二元共混膜和PM6:Y6:TF1三元共混膜中也可以明顯觀察到。

圖3. 掠入射廣角X射線散射（a-d）二維圖，（e）相應一維曲線圖。

  為了進一步了解BHJ和PPHJ薄膜的內部結構和垂直相分離特性，特別是TF1在三元器件中的精確作用，研究者進行了深度X射線光電子能譜(DXPS)測量。通過DXPS測試可以看到，受體在二元BHJ薄膜、三元BHJ薄膜和三元PPHJ薄膜中的分布存在明顯不同，在基于PPHJ結構的PM6/Y6:TF1薄膜中，受體分子Y6和TF1表現出在活性層上層富集，說明在PPHJ結構的三元薄膜中具有更為明顯的垂直相分離結構，這不僅有利于活性層中的電荷傳輸，更有利于獲得一個更加穩定的活性層形貌。

圖4. （a-c）三種活性層薄膜的深度X射線光電子能譜(DXPS)，（d）三種活性層薄膜的形貌演示圖。

圖5. 瞬態吸收與熒光壽命成像

  綜上所述，該項工作不僅提出了一種可以同時提高有機太陽能電池效率和穩定性的有效策略，而且系統性地揭示了星型受體分子在三元有機太陽能電池器件中的內在工作機制。相關成果以《Inhibiting Excessive Molecular Aggregation to Achieve Highly Efficient and Stabilized Organic Solar Cells by Introducing Star-Shaped Nitrogen Heterocyclic-Ring Acceptor》為題，在國際頂級期刊《Energy & Environmental Science》（IF: 38.532）上發表，文章第一作者為江西師范大學廖勛凡教授，共同第一作者為南昌大學博士研究生謝謙和天津工業大學郭亞肖教授，江西師范大學陳義旺教授為本工作的通訊作者，此外，感謝東華大學馬在飛教授、南京理工大學徐曉寶教授和浙江大學朱海明教授對本工作的幫助。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ee/d1ee02858h