近日，我院青年教师崔永杰作为第一通讯作者在材料领域国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（中科院一区TOP, IF=18.5）上在线发表了题为“Achieving19.72% Efficiency in Ternary Organic Solar Cells through ElectrostaticPotential-Driven Morphology Control”的研究论文，上海第二工业大学为论文的第一通讯单位，该工作得到了吴子华教授和李文琴副教授的指导。这是崔永杰老师2024年获国家自然科学基金青年基金之后取得的又一重要研究成果。
有机太阳能电池（OSCs）具有质量轻、成本低、半透明和可加工等优点，被认为是实现碳中和目标的可再生能源技术之一。近年来，随着有机光伏材料的开发设计和器件工艺的不断优化，OSC器件效率得到了快速发展。目前，单结器件效率突破20%是基于三元策略实现的，该策略是通过在主体系统中引入第三组分拓宽光吸收、优化共混形貌或提高激子解离和电荷提取。然而，目前对第三组分的选择缺乏理论指导，特别是从分子结构的角度来理解其在共混体系中的作用机制。
基于此，本工作提出将基于分子表面静电势（ESP）的定量参数作为第三组分筛选的标准。非对称受体BTP-OS的总的平均ESP值较低，分子极化指数较大，从而被选择引入到PM6:L8-BO体系中。这种第三组分引入会导致ESP诱导的分子间相互作用减弱，与给体的相容性降低，从而优化三元共混体系的多尺度形貌。最终，三元器件实现了19.72%的光电转换效率，这是基于PM6:L8-BO三元器件的最高效率之一，同时器件具有较高的激子解离和电荷收集效率、较低的能量无序和非辐射能量损失。另外，在PM6:BTP-eC9和D18:N3体系中也得到了类似的效率提高，证明了所提出方法的广泛适用性。该工作不仅为选择三元组分提供了一个简单有效的原则，而且为优化三元OSC建立了一个更广泛的框架，有可能推动跨不同材料系统开发更高效的OSC。
图1.(a)化学结构式。(b)每个原子的平均静电势值。(c)ESP面积分布。(d)量化参数。(e)接触角测试。(f)表面能和Flory-Huggins相互作用参数。
图2.(a)AFM高度图。(b)GIWAXS图。(c)垂直成分分布图。(d)形貌示意图。
图3.(a) J-V曲线。(b)效率分布图。(c)EQE曲线。(d)Jph-Veff曲线。(e)TPV曲线。(f)TPC曲线。(g)电子-空穴迁移率。(h)光稳定性。
图4.(a-c)不同器件的归一化s-EQE和EL数据。(d)器件能量损失的直方图。(e)EQEEL图。(f)FTPS-EQE曲线。
图5.(a-c)J-V曲线。(d-f)EQE曲线。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202415499