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(yīng)范圍的策略，近年來得到關(guān)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(dá)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(lǐng)域有較大的發(fā)展?jié)摿?。然而，不是所有能級匹配、吸收光譜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(luò)，進(jìn)而增加復(fù)合損失，降低能量轉(zhuǎn)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?？腕w的引入是作為形貌調(diào)控劑而非復(fù)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(xué)院青島生物能源與過程研究所先進(jìn)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(jìn)展。在前期對烷基側(cè)鏈-芳香末端新型側(cè)鏈?zhǔn)荏wLA1的研究基礎(chǔ)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(tuán)設(shè)計結(jié)晶性更強的材料LA9。相比于結(jié)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(fù)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(gòu)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(jié)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(fù)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(tuán)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(guān)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(xué)基金委、山東省自然科學(xué)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：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202007088

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