我校材料科学与工程学院王逸凡副教授等人在材料学顶级期刊《Advanced Materials》（影响因子32.086）上发表题为“Quasi-Homojunction Organic Nonfullerene Photovoltaics Featuring Fundamentals Distinct from Bulk Heterojunction”的论文。（Adv. Mater.,https://doi.org/10.1002/adma.202206717）

有机太阳能电池具有可印刷制备、重量轻、柔性、半透明等优点，是一种很有前途的下一代光伏技术。近年来，随着以ITIC和Y6为代表的稠环电子受体材料的发展，有机太阳能电池发展迅速。然而，由于大多数有机半导体具有较低的介电常数(ε = 3~4)，因此在光激发下会产生具有高结合能而非自由电荷的Frenkel激子。激子解离依赖于给/受体界面提供的驱动力，因而足够的给/受体界面是必不可少的。前期研究表明，给/受体相分离尺寸约为10~20 nm的本体异质结是有效激子解离和电荷输运的最佳形貌。因此，大多数高效有机太阳能电池的给体和受体含量大致相等。然而，BHJ结构的形貌敏感性可能导致加工复杂性、固有能量损失和形貌不稳定性，这些都限制了器件的性能和重复性。近年来的研究发现，Y6具有较高的双极性迁移率，有利于电子和空穴输运。另外，有报道表明Y6可以在没有给/受体界面的帮助下，本征产生自由载流子。基于此，作者提出了一种新型的准同质结有机太阳能电池。区别于传统的本体异质结太阳能电池，QHJ太阳能电池活性层由极少量(≤10 wt%)的给体与占绝大部分的受体材料组成。

作者系统地研究了基于不同聚合物给体和稠环电子受体的QHJ有机太阳能电池。研究发现，基于PTB7-Th:Y6的有机太阳能电池在给/受体质量比为1:8或1:20时，可分别保留95%或64%的最优化器件（给/受体比为1:1.2）的能量转换效率。并且，这种QHJ太阳能电池形貌稳定性大大优于传统BHJ器件。有趣的是，当给体浓度降低时，基于其他给体或稠环电子受体的器件的能量转换效率会急剧下降。基于超快瞬态吸收、电流感应原子力显微镜和软X射线形貌表征等测试分析手段，作者展示了高效QHJ太阳能电池的工作机理。在基于PTB7-Th:Y6的QHJ中，很大一部分自由电荷本质上是在纯Y6相中产生的，而不是在给受体界面。Y6还起到了双极性运输通道的作用，使得在给体量很少的情况下实现了高效的空穴输运。作者还比较了基于PTB7-Th:Y6的QHJ与基于PM6:Y6的QHJ。PTB7-Th:Y6 QHJ的器件性能优于PM6:Y6 QHJ，主要得益于PTB7-Th:Y6 QHJ中更高的Y6相纯度，从而促进了电荷输运，通过四极场增强了能带弯曲，并减少了界面上的载流子复合。少量PTB7-Th的主要作用是防止电荷复合，增强Y6内部的四极场，这与传统给体的作用是完全不同的。

这项工作突破了经典的本体异质结有机太阳能电池结构，克服了本体异质结的部分缺点。在准同质结有机太阳能电池中，可以通过提高本征电荷的产生和减少电荷重组来实现高器件效率，而不仅仅是依赖于给受体界面上的激子解离。这种新的器件结构也有利于一些其他应用，如半透明有机太阳能电池和近红外光电探测器。

我校材料科学与工程学院王逸凡副教授是论文的第一作者，青岛大学材料科学与工程学院是第一单位，北京大学占肖卫教授是通讯作者。合作者还包括新西兰惠灵顿维多利亚大学Justin M. Hodgkiss课题组、美国雪城大学Quinn Qiao课题组、东华大学唐正课题组、西安交通大学马伟课题组。

QHJ非富勒烯有机太阳能电池基本工作机理

论文信息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi.org/10.1002/adma.202206717

Quasi-Homojunction Organic Nonfullerene Photovoltaics Featuring Fundamentals Distinct from Bulk Heterojunction

Yifan Wang, Michael B. Price,* Raja Sekhar Bobba, Heng Lu, Jingwei Xue, Yilin Wang, Mengyang Li, Aleksandra Ilina, Paul A. Hume, Boyu Jia, Tengfei Li, Yuchen Zhang, Nathaniel J.L.K. Davis, Zheng Tang, Wei Ma, Quinn Qiao, Justin M. Hodgkiss, Xiaowei Zhan*