北理工团队在三元铸态有机光伏电池研究中取得重要进展

　　近期，北京理工大学化学与化工学院安桥石团队在《Science Bulletin》上发表题为“Synergistic effect of two complementary acceptors assists high-efficiency as-cast organic solar cells”的研究论文。北京理工大学为唯一通讯单位，安桥石特别研究员为为本论文唯一通讯作者。
 

　　得益于新型非富勒烯受体与聚合物给体材料的设计与开发，单结有机光伏电池的光电转换效率已突破20%，初步满足其商业化生产的效率需求。然而，高效率器件普遍依赖于复杂的前/后处理工艺(如热溶液、热基底、热退火、溶剂熏蒸等)，这些复杂的优化工艺难以兼容卷对卷印刷、狭缝涂布等低成本大面积制备技术，导致生产成本攀升与器件批次稳定性下降。其次，多步工艺叠加将加剧活性层结构-性能关系的复杂性，阻碍材料体系的迭代优化。因此，开发活性层无需任何处理工艺的铸态器件成为该领域突破产业化瓶颈的关键方向。
 

　　基于此，该工作通过选用化学结构相似的两种小分子受体Y6和Y6-1O，与聚合物给体D18匹配制备铸态有机光伏电池。兼容性良好的两种小分子受体具有互补的带隙和能级，因此通过调控Y6和Y6-1O的掺杂比例，有助于优化三元器件的短路电流密度与开路电压的平衡。成膜动力学、活性层形貌和理论计算研究结果表明，Y6-1O具有更强的聚集性，且其与给体D18的结合能高于Y6与D18的值，这使得D18:Y6-1O二元体系具有更快的成膜过程。有趣的是，通过调控三元体系中Y6-1O的含量能够调节活性层成膜时间，可以有效地控制D18分子的聚集。最终构筑出有利于激子解离、电荷传输与收集的理想活性层形貌，从而显著降低了三元器件的能量损失并提升了填充因子。得益于这两种受体分子的协同作用，最终制备出效率为19.51%的三元铸态器件。
 

　　该研究系统阐释了分子间相互作用、成膜动力学、活性层形貌与器件性能之间的构效关系，为高效铸态有机光伏电池的开发提供了理论指导。
 

　　该成果得到了国家自然科学基金，北京市自然科学基金，北京理工大学科技创新计划等项目的资助以及北京理工大学分析测试中心的支持。