NSR：17.9%！最高效率之一的三元有机光伏器件

来源：中国科学杂志社

近期，北京交通大学张福俊课题组以高效非富勒烯材料Y6及其衍生物Y6-1O为受体，宽带隙聚合物材料D18-Cl为给体，制备出效率为17.9%的三元有机光伏器件。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。

有机光伏器件具有成本低、质量轻、柔性、可大面积制备等优点。近年来，得益于各种非富勒烯材料的出现，有机光伏器件已到达商业化的“黎明前夕”。

除材料创新外，器件工程在太阳能电池性能提升方面也发挥了关键作用。利用三元策略，能够将兼容性较好的两种非富勒烯材料的优势集成到同一器件中，简单有效地提升器件性能。研究表明，引入合适的第三组分可以拓展有源层的光子俘获范围,还能优化有源层中光生激子的分布以平衡两种载流子的传输,精细调控相分离程度以提高激子解离效率。三元策略有望成为有机光伏器件产业化的首选方案。自2013年以来，张福俊教授课题组一直致力于三元有机光伏材料与器件物理的研究，获得了一系列理论和实验成果。 

在这项工作中，张福俊课题组以兼容性较好的高效非富勒烯材料Y6及其衍生物Y6-1O为受体，宽带隙聚合物材料D18-Cl为给体，制备出效率为17.9%的三元有机光伏器件。该值是有机光伏器件最高效率之一。

D18-Cl:Y6和D18-Cl:Y6-1O两种二元器件展现出互补的短路电流密度（25.53 mA cm−2 vs.22.72 mA cm−2）、填充因子（75.88% vs.73.14%）和开路电压（0.881 V vs. 0.929 V）。研究显示，当第三组分Y6-1O在受体中的含量达到30 wt%时，器件性能达到最优。与主体系相比，三元器件的短路电流密度、填充因子和开路电压分别提升至25.87 mA cm−2，76.92%和0.900 V。除增强光子俘获外，适量引入Y6-1O还可同时优化有源层的相分离程度及分子排布，使激子解离和载流子传输更为有效，提升器件性能。

（a）相应二元和三元有机光伏器件的电流-电压曲线；（b）最优二元及三元器件的磁控光电流曲线。 

（a）二元及三元混合薄膜的2D-GIWAXS图像；（b）混合薄膜面内和面外方向GIWAXS剖面图；（c）混合薄膜的TEM图。

除获得17.9%的高效率三元有机光伏器件外，该工作还首次将磁控光电流的方法引入三元体系，证明三元器件内电荷分离更加有效，为分析三元器件性能提升的机制提供了更为坚实的证据。该工作得到了国家自然科学基金和博士后创新人才支持计划等资助。