三元有機太陽能電池（ternary organic solar cells，TOSCs）作為一種有效拓寬光伏響應范圍的策略，近年來得到關注和發(fā)展。這主要得益于TOSCs具有和二元器件相似的制備工藝以及非富勒烯受體的發(fā)展帶來的材料來源，目前，基于高效非富勒烯受體Y6體系的TOSCs光伏效率已達18%。TOSCs具有較好的機械性能、透光性和大面積加工的可能性，在半透明、柔性等電子器件領域有較大的發(fā)展?jié)摿ΑＨ欢皇撬心芗壠ヅ洹⑽展庾V互補的材料均可作為客體來制備三元器件。相對于主體二元體系來說，第三組分（客體）的引入可能破壞原來二元共混膜內(nèi)有序的分子堆積和納米互穿網(wǎng)絡，進而增加復合損失，降低能量轉換效率。因此，第三組分需要與主體材料有良好的兼容性，才能確保客體的引入是作為形貌調(diào)控劑而非復合中心或形貌陷阱。主客體間的兼容性雖然可以通過一些測試手段來研究，但是對于第三組分的選擇目前更多的是基于經(jīng)驗或試錯法。

　　中國科學院青島生物能源與過程研究所先進功能材料與器件研究組在TOSCs主客體相互作用的研究中取得進展。在前期對烷基側鏈-芳香末端新型側鏈受體LA1的研究基礎上（Advanced Materials, 2019, 1807832；Advanced Functional Materials, 2019, 1903596；Advanced Science, 2020, 7, 1903455），通過調(diào)控受體的封端基團設計結晶性更強的材料LA9。相比于結晶性適中的LA1，LA9較強的自聚集性造成二元活性層產(chǎn)生較重的相分離及較高的電荷復合損失，使得二元電池PM6:LA9的最高光伏效率（13.12%）弱于PM6:LA9二元體系（13.89%）。盡管如此，LA9和LA1作為第三組分加入二元主體體系PM6:NCBDT-4Cl （PCE=13.48%）中，所構建的兩組TOSCs光伏效率均有較大幅度提升（>15%）。相比于LA1三元器件（15.39%），LA9三元電池具有更高的光伏效率（15.75%）。考慮到LA9的LUMO能級比LA1高，如果排除開路電壓的影響，LA9在調(diào)控三元形貌方面實際優(yōu)于LA1客體。研究發(fā)現(xiàn)，LA9的材料結晶性比LA1強，然而，LA9與主體給受體分子之間均有相對較弱的分子間相互作用力。客體受體與給體之間適度的相互作用，有利于給體分子有序的分子堆積，而客體受體與主體受體之間相對較弱的相互作用，可促使二者之間具有更高的兼容性，從而優(yōu)化三元體系的分子取向和納米形貌，提高電荷傳輸性能，抑制復合損失，這是LA9三元器件要優(yōu)于LA1三元器件的內(nèi)在機制。相比于已報道的高效率三元器件，研究團隊研究客體組分在三元體系內(nèi)與主體給受體材料之間的相互作用，為發(fā)展高效率的三元有機太陽能電池提供新思路。

　　相關研究成果在線發(fā)表在Advanced Functional Materials上，青島能源所博士生姜煥祥為論文第一作者，青島能源所研究員包西昌、陽仁強以及副研究員李永海為論文通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金委、山東省自然科學基金委、大連化物所-青島能源所融合發(fā)展項目的支持，并得到上海同步輻射光源研究員楊春明的幫助。

　　論文鏈接 

　　青島能源所等揭示三元有機太陽能電池中的分子相互作用新機制