中國科學院大學材料學院黃輝團隊在有機太陽能電池領(lǐng)域取得重要進展

　　有機太陽能電池(OSC)因具有質(zhì)量輕、本征柔性，可溶液法加工等優(yōu)點而受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注并在過去十年取得了顯著的進步，但其能量轉(zhuǎn)化效率(PCE)仍落后于無機和鈣鈦礦太陽能電池，這主要是由于其較大的非輻射能量損失導致開路電壓較低。其中，三線態(tài)激子的形成被認為是產(chǎn)生非輻射能量損失的主要來源之一，限制了OSC的進一步發(fā)展。
 

　　針對上述挑戰(zhàn)，黃輝教授、蔡蕓皓副教授團隊通過降低電荷轉(zhuǎn)移態(tài)能量無序，有效降低了反向電荷轉(zhuǎn)移速率，抑制了三線態(tài)激子的產(chǎn)生，減少了非輻射能量損失，提升了OSC的性能。在本工作中，該團隊以三元策略調(diào)控電荷轉(zhuǎn)移態(tài)的能量無序作為切入點，通過深入研究，闡明了電荷轉(zhuǎn)移態(tài)能量無序的降低導致空間上更加離域的極化子對分布，與局域三線態(tài)激子的空間重疊減少，減小耦合。根據(jù)Marcus半經(jīng)驗公式，降低了體系的反向電荷轉(zhuǎn)移速率，為三線態(tài)電荷轉(zhuǎn)移激子的解離提供時間，從而減少了三線態(tài)激子的生成。最終，采用該策略的三元有機太陽能電池器件獲得了0.183 eV的非輻射能量損失以及20.25%的PCE(認證效率為19.82%)，創(chuàng)造了單結(jié)器件的最高記錄值，同時所獲得的非輻射能量損失是OSC迄今為止報告的PCE超過19%體系的最小值。這項工作不僅提出了通過降低電荷轉(zhuǎn)移態(tài)無序抑制三線態(tài)激子形成和非輻射能量損失的新策略，同時為OSC的性能提升提供了寶貴的見解。
 

　　圖1. a-f有機太陽能電池的能量無序，3CT與T1的能量差，耦合及反向電荷轉(zhuǎn)移速率
 

　　相關(guān)研究成果以“Highly efficient organic solar cells enabled by suppressing triplet exciton formation and non-radiative recombination”為題，于近日發(fā)表在Nature Communications雜志。李聰琪(中國科學院大學材料學院2020級直博生)為該工作的第一作者，姚果(南京大學)、古曉斌(中國科學院大學材料學院2022級博士生)為共同第一作者，黃輝教授和蔡蕓皓副教授為通訊作者。上述工作得到國家自然科學基金委、中國科學院及中國科學院大學等項目的資助。