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2022年5月6日Nature Materials在線發表了上海交通大學化學化工學院劉烽教授團隊與北京航空航天大學化學學院孫艷明教授和倫敦帝國理工學院Jun Yan在單結有機太陽能電池領域的最新成果“Single-junction organic solar cells with over 19% efficiency enabled by a refined double-fibril network morphology”。劉烽教授，孫艷明教授和Jun Yan為通訊作者，上海交通大學化學化工學院為第一通訊單位。

有機半導體具有高光吸收和可調能級的優勢，使薄膜太陽能電池在很寬的波長范圍內具有高光電子轉換效率。盡管最近取得了進展，但有機太陽能電池（OSCs）的性能仍然受到非理想激子和電荷傳輸的限制，這不僅取決于有機半導體的電子結構，在異質結設置中還需要通過材料結晶和相分離形成的合適的納米結構。因此，需要一種合適的納米級相分離形態來平衡結晶區和混合域，以進一步提高OSCs的功率轉換效率（PCE）。

然而，薄膜沉積是一個非平衡過程，取決于多種因素，包括化學結構和處理條件。其中，控制薄膜形態的一個有用策略是引入第三種成分，該成分可以選擇性地與供體或受體相互作用，以誘導額外的形態控制。對于焓決定的結晶，可以實現具有合適尺寸尺度的結晶誘導相分離形態，創建一個交織的供體-受體雙連續網絡，具有數十納米級的結晶域，從而產生有效的激子和載流子傳輸。同時，需要細化供體-受體混合域的尺寸以增強載流子在到達雙連續結晶域之前的擴散，這決定了接近開路條件下載流子傳輸的效率，從而影響器件的填充因子（FF）。

劉烽教授團隊使用精心設計的供體-受體組分的三元混合策略證明了雙連續雙原纖維網絡形態（DFNM），其中相分離、結晶度和特定原纖維寬度受到共同控制。所得納米結構激子擴散長度達到~40 nm，自由電荷擴散長度達到~105 nm，自由電荷漂移長度達到~2700 nm（在短路條件下估計）。

其成功在于光電參數和形態特征長度之間的良好匹配，有效地利用了激子和自由電荷。這種策略使得激子擴散長度增加和復合率降低，因此與二元對應物相比，三元器件中的光子對電子損失最小。雙原纖維網絡形態策略可最大限度地減少損耗并最大限度地提高功率輸出，從而為單結有機光伏電池提供了20%的功率轉換效率的可能性。共混薄膜中聚合物供體和非富勒烯受體（NFA）原纖維的成熟結晶使得混合區減少并抑制復合。結果顯示，記錄的FF約為82%，在優化的單結OSCs中，平均PCE突破19.3%（認證為19.2%），最大值為19.6%。在具有相似形態的平行實驗中看到了類似的改進，顯示了DFNM的光明前景。

圖1.?材料和器件性能

圖2.?薄膜的形態

圖3.?器件物理特性

圖4. L8-BO的單晶結構

圖5.?激子擴散長度和器件參數

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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