《Nature Materials》： 具有低能量无序的窄带隙受体在有机太阳能电池中实现了超过21%的效率
编辑：zcniszc 时间：2026年05月11日 访问次数:23
《具有低能量无序的窄带隙受体在有机太阳能电池中实现了超过21%的效率》
有机太阳能电池（OSCs）的功率转换效率（PCE）因材料创新与器件优化而快速提升，不断刷新纪录并突破20%。为了进一步将有机太阳能电池的PCE提升至与无机太阳能电池相当的水平，需要同时提高短路电流（JSC）和填充因子（FF），并降低开路电压（VOC）损失。收窄活性层材料的光学带隙（Eg）可通过拓宽吸收范围提高JSC，但这会导致VOC下降。根据经验能隙定律，knr ∝ exp(−βEg)（其中knr为非辐射复合速率，β为常数），非辐射复合引起的VOC损失会随Eg减小而增加。众所周知，非辐射能量损失（ΔEnr）主导了有机太阳能电池的能量损失（Eloss）。因此，突破能隙定律来提高电压是一项极具挑战性的任务。本文合成了一种以喹喔啉（Qx）为中心单元、萘基端基（NF）为封端基团、并采用硒（Se）取代中心核的受体材料Qx-Se-NF，其窄带隙达到1.31电子伏特。理论计算表明，Qx-Se-NF具有较低的能量无序度，有利于降低能量损失。此外，其强聚集特性倾向于在三元体系中形成独特的垂直分离合金结构，有助于在不牺牲开路电压的前提下提高短路电流密度。最终，该三元体系实现了经认证的21.01%功率转换效率，且能量损失低至0.486电子伏特，为窄带隙受体及其三元体系的设计提供了深刻见解。
1. Qx-F、Qx-NF和Qx-Se-NF的分子结构如图1a所示，并以Y6作为参照。本文通过差示扫描量热法和热重分析研究了四种受体分子的热性能。吸收光谱从Qx-F、Qx-NF到Qx-Se-NF持续红移。Qx-Se-NF展现出最红移的吸收边，具有1.31 eV的低带隙和最高的摩尔消光系数，这能增强光子捕获能力并提高光电流。从各自溶液到固态薄膜的吸收红移表明，所有受体中均形成了强分子间π-π相互作用。2.四种受体在溶液和薄膜中的斯托克斯位移如图1b、c所示，从Y6、Qx-F、Qx-NF到Qx-Se-NF，数值逐渐减小。溶液和薄膜状态下观测到的斯托克斯位移降低，主要归因于λ的减小，如后文讨论所述。与对应体相比，萘基端基（NF）的斯托克斯位移大幅降低（图1c），表明刚性萘基端基是抑制λ的最关键组分。电子-振动耦合的抑制可能有助于降低材料能量无序度。鉴于乌尔巴赫能（Eu）能反映材料能量无序程度，采用傅里叶变换光电流光谱（FTPS）外量子效率（EQE）估算Eu值。如图1d所示，PM6:Y6、PM6:Qx-F、PM6:Qx-NF和PM6:Qx-Se-NF的Eu值分别为25.03、24.01、23.25和22.75 meV。最小的Eu值表明在四种受体体系中，Qx-Se-NF具有最低的能量无序度，这有利于降低电压损失。通过紫外光电子能谱和低能逆光电子能谱（LEIPS）测量（图1e），估算了四种受体和两种给体（PM6和D18）的能级。图2| Y6、Qx-F、Qx-NF和Qx-Se-NF体系的重组能与能量无序度1.为理解化学结构修饰对能量无序度的影响，本文进行了密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟。由于动态无序与λ密切相关，本文首先基于单分子计算分析了光电转换过程中不同电子态间的λ（图2a、b）。研究发现，从Y6到Qx-Se-NF，所有光电转换过程的λ值逐渐降低，变化范围为0.03 eV至0.06 eV（图2b）。对于S0态与S1态之间的跃迁，λ降低了约0.03 eV，这有助于减少激子衰减、促进激子能量转移，从而降低电压和电流损失。本文的计算结果也与实验观测中Qx-Se-NF体系最小的斯托克斯位移高度吻合。λ值可分解为受体中各振动模式的贡献，结果如图2c-e所示。在所有跃迁过程中，高频振动模式的贡献占主导地位。从Y6到Qx-Se-NF，在1200 cm⁻¹至1650 cm⁻¹范围内的振动逐渐减弱，该频段对应分子骨架中C-C键的伸缩振动。这些结果表明，通过分子设计已有效抑制了由C-C键振动引起的能量损失，这将有利于性能提升。
1.本文以PM6为聚合物给体制备了四种传统有机太阳能电池（OSCs），用以研究能量无序度对光伏性能参数的影响。如图3a所示，基于Qx的非富勒烯受体（NFA）体系均展现出比PM6:Y6体系更高的VOC值。Qx-F具有最高的最低未占分子轨道（LUMO）能级，实现了0.908 V的最高VOC，其次为Qx-NF（VOC = 0.880 V）。尽管Qx-Se-NF的LUMO能级相比Y6有所下移，但基于PM6:Qx-Se-NF的器件仍获得了比PM6:Y6器件（VOC = 0.838 V）更高的0.851 V的VOC值，这可能归因于由λ和σT抑制所导致的能量损失（Eloss）降低。与PM6:Y6（JSC = 27.85 mA cm⁻²）相比，PM6:Qx-F因吸收蓝移和载流子传输较差而获得最低的JSC（25.21 mA cm⁻²）。PM6:Qx-NF产生中等水平的JSC（26.98 mA cm⁻²）。特别是，Qx-Se-NF最宽的吸收范围使得基于PM6:Qx-Se-NF的有机太阳能电池获得了令人瞩目的28.18 mA cm⁻²的JSC值，这已由EQE光谱所证实。这四个器件均具备约78%的优异填充因子（FF）。此外，对物理性质及活性层形貌的分析也支持了基于Qx-Se-NF的器件获得优异JSC和FF的事实。最终，PM6:Qx-Se-NF实现了19.08%的最高功率转换效率（PCE），其次为基于PM6:Qx-NF（18.55%）和PM6:Qx-F的器件（17.83%）。图4| 邻二甲苯（o-XY）加工OSC的器件性能与物理机制1. o-XY通常被选作制备大面积太阳能电池的加工溶剂（图4a）。本文研究了基于PM6:Y6、PM6:L8-BO和PM6:L8-BO:Qx-Se-NF三种体系在o-XY加工条件下的潜力。由于结晶生长所需的成膜时间延长（图4b）以及薄膜表面光滑，通过o-XY旋涂制备的PM6:L8-BO:Qx-Se-NF基器件获得了比氯仿（CF）加工器件更高的PCE。相比之下，基于PM6:Y6和PM6:L8-BO的器件从CF换为o-XY后PCE均有所下降（图4c）。2.值得注意的是，基于PM6:L8-BO:Qx-Se-NF的器件实现了创纪录的20.36%的PCE，优于CF加工器件的20.30%，这得益于优化的JSC（图4c、d）。此外，采用狭缝涂布制备的1 cm²柔性PM6:L8-BO:Qx-Se-NF基器件获得了17.70%的高PCE，其VOC为0.852 V，JSC为27.55 mA cm⁻²，FF为75.39%（图4e），优于PM6:Y6和PM6:L8-BO体系（图4f）。有趣的是，基于PM6:L8-BO:Qx-Se-NF的柔性太阳能电池展现出令人满意的膜厚耐受性（约120-350 nm）和良好的重复性（图4g）。由六个子电池串联组成的36 cm²组件保持了17.10%的优异PCE，其VOC为5.02 V，JSC为4.56 mA cm⁻²，FF为74.74%，这是目前报道的有效面积超过30 cm²的大面积组件中最高值之一（图4e、h）。此外，得益于形态陷阱形成的抑制，该三元器件还表现出优异的光照和热稳定性。
综上所述，本文提出了一种结合Qx中心单元、硒取代中心核和NF端基的分子设计策略，在1.31 eV的窄光学带隙下实现了低能量无序度。基于PM6:Qx-Se-NF的二元OSC展现出高达28.18 mA cm⁻²的JSC和仅0.204 eV的最小非辐射能量损失。由于Qx-Se-NF具有高吸收系数、与L8-BO的良好相容性以及优异的溶剂和工艺耐受性，L8-BO:Qx-Se-NF受体组合在长波长范围内呈现出宽而强的吸收，并在三元太阳能电池中形成了垂直分离的合金形貌模型。三元太阳能电池实现了28.82 mA cm⁻²的高JSC、82.42%的卓越FF和0.486 eV的低Eloss，其分别与PM6和D18给体匹配时，获得了20.36%和21.21%的极高PCE（经中国计量科学研究院（CPVT）认证值21.12%，国家光伏计量测试中心（NPVM）认证值21.01%）。此外，本文采用邻二甲苯（o-XY）溶剂通过狭缝涂布工艺制备的柔性大面积器件（1 cm²）和组件（36 cm²）分别实现了前所未有的17.70%和17.10%的PCE。本文深入揭示了分子设计原理以及能量无序度在高性能OSC中的关键作用。
第一作者： Jing Tao, Chi Zhang, Qiming Zhao, Chenyang Tian
通讯作者： Kun Lu(吕琨), Lingyun Zhu(朱凌云) & Zhixiang Wei(魏志祥)
DOI：10.1038/s41563-026-02589-4
来源：微信公众号研之成理
