【Adv.Mater.】供体稀释有机太阳能电池性能提升：即使PM6比例降至1%，光生电荷效率依然能打#

文章标题：Rethinking Charge Transport and Recombination in Donor-Diluted Organic Solar Cells

通讯作者：Chen Wang, Christopher Wöpke, Toni Seiler, Jared Faisst, Mathias List, Meike Kuhn, Bekcy Joseph, Alexander Ehm, Dietrich R. T. Zahn, Yana Vaynzof, Eva M. Herzig

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202523681

文章概要#

引言#

非富勒烯受体材料的快速发展推动有机太阳能电池的能量转换效率突破20%，但在某些特定应用场景中，如何降低成本并保持高透明度仍是亟待解决的难题。近期研究表明，在强供体稀释体系中，即使给体材料的比例降低到极低的水平，器件依然能维持令人惊叹的高效率。这种低供体含量的体系不仅有利于制备高透光率的半透明太阳能电池，还为探索复杂混合物中电荷传输网络拓扑结构与重组机制提供了绝佳的模型。然而，在传统形态学之外，极低供体含量如何影响三维空间中的电荷收集，以及非自由电荷在微观尺度的复合行为是否依然符合传统动力学规律，仍缺乏一个统一的理论物理框架。

主要实验及结论#

研究团队系统制备了供体比例在1%至45%宽泛范围内的PM6体异质结太阳能电池，并利用同步辐射掠入射广角X射线散射、共振软X射线散射和紫外光电子能谱深度剖面等多维技术展开深度表征。形态学实验结果惊人地显示，即使在给体含量低于5% 的极端稀释情况下，低表面能驱动的PM6依然能够在薄膜内部形成有序的层状堆叠，组装成相互连通的三维电荷传输网络，而垂直方向的组分梯度并未对电荷提取构成障碍。研究进一步发现，活性层有效电导率在低供体比例下的下降趋势完美符合三维渗流模型，证实其电荷输运由网络拓扑结构而非单一的渗流阈值决定。同时，随着供体浓度降低，体系的非双分子重组机制发生了根本性转变，从高浓度时的朗之万 encounter 限制型复合过渡到了低浓度下的弥散性斯莫路霍夫斯基限制型复合。这种新型的非双分子损失现象意味着在稀释体系中，空间拓扑限制引起的空穴传输阻力才是导致填充因子下降的主因，而激子裂分与初始光生电荷的生成效率其实依然保持得非常高效。

总结及展望#

这项研究重新审视了给体稀释有机太阳能电池中的电荷动力学平衡，有力地证明了只要保持连续的给体网络通道，强供体稀释策略完全不会牺牲光生电荷的生成效率。这一发现打破了必须依赖高比例给体才能维持高效光伏转换的传统认知，深入揭示了拓扑限制传输与非朗之万重组行为在极端比例下的联合制约机制。未来，通过针对性地优化慢载流子通道并进一步增强空穴迁移率，有望在大幅降低半透明器件环境成本的同时拓宽这类新型高效光伏材料的工业化工业边界。