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三元共混体系(Ternary blend)有机太阳能电池 (也称Organic Photovoltaics, OPVs)是一种新型的光伏器件,它由两种给体材料和一种受体材料(或一种给体材料和两种受体材料)共混而成,利用两种不同带隙的材料可以大幅度提高对太阳能光的利用率.然而,目前绝大多数三元OPV的性能低于相应的二元 (binary blend) 器件,这主要是由于三元共混体系的形貌难以优化,第三组分的选择非常严苛,因为要确保活性层内分子之间的有效电荷转移.此外,当三元共混体系包括两个给体和一个受体时,三元OPV的开路电压(VOC)受到给体材料中最高占据分子轨道(HOMO)较高的那个材料限制,因此阻碍了三元组分OPV光电转化效率的提高.

台湾大学汪根欉教授与美国密西根大学Stephen Forrest教授研究团队通过真空蒸镀的方法将两个不同的体异质结 (bulk heterojunction) 结构融合在同一个平面结器件中.在该器件结构中两个体异质结拥有不同的给体和相同的受体,因此具有不同吸光范围.此外,该器件结构类似于串联叠层电池结构,但是消除了中间电极.相同的受体材料保证了光激发产生的电子在两个体异质结中的有效、连续的传输(图1).特别要指出的是,与传统的三元共混体系太阳能电池VOC介于两个二元电池VOC之间不同,该电池VOC只取决于其中的一个二元电池.因此,研究人员可以通过改变两个二元电池的堆积顺序来实现三元电池VOC的最大化,从而进一步提高三元电池的光电转化效率.

研究人员合成了一系列具有给体-受体-受体'(d-a-a')结构的可真空蒸镀的小分子材料(图2).该类型分子都具有较大的基态偶极矩,因此可以和C70受体分子共混后发生相互作用.该作用力可以使给体的HOMO能级在共混薄膜中偏移100-300 meV,从而实现了能级再次调控的目的(图3).这也是"错误"构型器件可以实现有效电荷传输的原因.温度调节电流密度-电压特性测试进一步验证了该结论.经测定,无论是二元还是三元双层器件都表现出较小的活性能,这表明该器件中没有明显的能级势垒阻碍电荷的有效传输.因此,与"正确"构型器件相比,"错误"构型器件获得了更高的开路电压(0.94 V)和光电转化效率(10.6%).这一研究结果为克服三元共混体系有机太阳能电池形貌调控以及VOC短板,加速开发高效有机光伏器件提供了新的思路.