打破纪录！上海交大刘烽今日Nature Materials！

2022年5月6日Nature Materials在线发表了上海交通大学化学化工学院刘烽教授团队与北京航空航天大学化学学院孙艳明教授和伦敦帝国理工学院Jun Yan在单结有机太阳能电池领域的最新成果“Single-junction organic solar cells with over 19% efficiency enabled by a refined double-fibril network morphology”。刘烽教授，孙艳明教授和Jun Yan为通讯作者，上海交通大学化学化工学院为第一通讯单位。

有机半导体具有高光吸收和可调能级的优势，使薄膜太阳能电池在很宽的波长范围内具有高光电子转换效率。尽管最近取得了进展，但有机太阳能电池（OSCs）的性能仍然受到非理想激子和电荷传输的限制，这不仅取决于有机半导体的电子结构，在异质结设置中还需要通过材料结晶和相分离形成的合适的纳米结构。因此，需要一种合适的纳米级相分离形态来平衡结晶区和混合域，以进一步提高OSCs的功率转换效率（PCE）。

然而，薄膜沉积是一个非平衡过程，取决于多种因素，包括化学结构和处理条件。其中，控制薄膜形态的一个有用策略是引入第三种成分，该成分可以选择性地与供体或受体相互作用，以诱导额外的形态控制。对于焓决定的结晶，可以实现具有合适尺寸尺度的结晶诱导相分离形态，创建一个交织的供体-受体双连续网络，具有数十纳米级的结晶域，从而产生有效的激子和载流子传输。同时，需要细化供体-受体混合域的尺寸以增强载流子在到达双连续结晶域之前的扩散，这决定了接近开路条件下载流子传输的效率，从而影响器件的填充因子（FF）。

刘烽教授团队使用精心设计的供体-受体组分的三元混合策略证明了双连续双原纤维网络形态（DFNM），其中相分离、结晶度和特定原纤维宽度受到共同控制。所得纳米结构激子扩散长度达到~40 nm，自由电荷扩散长度达到~105 nm，自由电荷漂移长度达到~2700 nm（在短路条件下估计）。

其成功在于光电参数和形态特征长度之间的良好匹配，有效地利用了激子和自由电荷。这种策略使得激子扩散长度增加和复合率降低，因此与二元对应物相比，三元器件中的光子对电子损失最小。双原纤维网络形态策略可最大限度地减少损耗并最大限度地提高功率输出，从而为单结有机光伏电池提供了20%的功率转换效率的可能性。共混薄膜中聚合物供体和非富勒烯受体（NFA）原纤维的成熟结晶使得混合区减少并抑制复合。结果显示，记录的FF约为82%，在优化的单结OSCs中，平均PCE突破19.3%（认证为19.2%），最大值为19.6%。在具有相似形态的平行实验中看到了类似的改进，显示了DFNM的光明前景。

图1. 材料和器件性能

图2. 薄膜的形态

图3. 器件物理特性

图4. L8-BO的单晶结构

图5. 激子扩散长度和器件参数

Zhu, L., Zhang, M., Xu, J. et al. Single-junction organic solar cells with over 19% efficiency enabled by a refined double-fibril network morphology. Nat. Mater. (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01244-y

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