近年來，三元策略在提高有機太陽能電池性能方面已展露出很大的潛力，成為有機光伏領域的研究熱點。張福俊教授課題組長期專注于三元有機光伏器件物理方面的研究，提出了研究三元體系中激子和載流子動力學的新方法、新手段，以及理解合金模型的微觀機制。近期，該課題組基于PM6:Y6:MF1體系成功制備出效率為17.22%的三元器件，在中國計量科學院的驗證效率為16.8%。此工作已經以Articles形式發表在Science Bulletin上。

該工作系統研究了MF1摻雜比例對三元器件光伏參數的影響。隨著MF1摻雜比例的增加，器件的短路電流先升高后降低；開路電壓逐漸升高；填充因子先升高后降低再升高。器件短路電流的升高主要歸因于有源層光子俘獲和形貌的優化。逐漸增大的開路電壓表明：MF1和Y6形成了類合金態，即分子間激發態能級簡并，MF1和Y6良好的兼容性是形成類合金態的前提條件。作者利用Raman mapping，接觸角和GIWAXS實驗證明MF1和Y6具有較好的兼容性。從其Raman mapping的圖像中，能夠直觀地觀察到MF1在有源層中的分布情況。如圖1c所示，藍色，紅色和黃綠色區域分別表示混合膜中的PM6，Y6和MF1。從三元Raman mapping的圖像中能夠觀察到大多數黃綠色斑點嵌入到紅色區域，表明在三元混合薄膜中MF1更傾向于與Y6混合形成類合金態。填充因子的變化主要歸因于雙受體材料較好的兼容性和不同的LUMO能級。由于MF1的LUMO能級高于Y6，當MF1在受體中的比例為10 wt%時，MF1和Y6上產生的電子能夠沿著較低的混合LUMO能級傳輸。當MF1的含量增加到50 wt%時，有源層中會形成大量的電子陷阱，導致器件電子遷移率和填充因子的降低。當MF1的含量為10 wt%時，三元器件的效率達到最優17.22%，其短路電流為25.68 mA cm 2，開路電壓為0.853 V，填充因子為78.61%。相較于PM6:Y6二元器件，最優三元器件的短路電流，開路電壓和填充因子均得到了提升。

圖1. (a) 器件結構示意圖；(b)器件光伏參數隨MF1摻雜比例的變化趨勢；(c)混合薄膜的Raman mapping圖像；(d) PM6, MF1 和Y6能級圖；(e)有源層中電子和空穴遷移率；(f) 器件的J-V曲線。

表1 不同MF1摻雜比例的有機太陽能電池光伏參數


a)最優三元器件在中國計量科學研究院驗證的光伏參數

該工作表明第三組分的作用除了增強有源層光子俘獲外，還可優化激子的分布，給受體材料的相分離程度和分子排布方式，形成類合金態調控能級位置，進而同時提高器件的短路電流，開路電壓和填充因子。該工作進一步證明：三元策略是一種有效提高器件性能的方法。