子科生物报道：北京大学材料学院占肖卫课题组与合作者近日提出了准同质结（QHJ）有机太阳能电池的概念，发现了与传统本体异质结（BHJ）有机太阳能电池不同的工作机制，相关工作发表在《先进材料》上（Adv. Mater., https://doi.org/10.1002/adma.202206717）。

有机太阳能电池具有可印刷制备、质量轻、柔性、半透明等优点，是一种极具应用潜力的下一代光伏技术。近年来，得益于以ITIC和Y6为代表的稠环电子受体材料的发明，有机太阳能电池发展迅速。大多数有机半导体由于具有较小的介电常数(ε=3~4)，其在光激发下产生具有高结合能而非自由电荷的Frenkel激子。激子解离依赖于给/受体界面提供的能级差，因而足够的给/受体界面是必不可少的。前期研究表明，给/受体相分离尺寸约为10~20nm的本体异质结有利于激子解离和电荷输运。因此，大多数高效有机太阳能电池的给体和受体含量大致相当。然而，BHJ结构的形貌敏感性可能导致加工复杂性和形貌不稳定，这些都限制了器件的性能和可重复性。

                                    BHJ (a)和QHJ (b)有机太阳能电池基本工作机理

作者提出了QHJ有机太阳能电池的概念。有别于传统的BHJ太阳能电池，QHJ太阳能电池活性层由极少量(≤10 wt%)的给体与占绝大部分的受体材料组成。作者系统地研究了基于不同聚合物给体和稠环电子受体的QHJ有机太阳能电池。研究发现，基于PTB7-Th:Y6 的有机太阳能电池在给/受体质量比为1:8或1:20时，其效率分别是最优BHJ器件效率（给/受体比为1:1.2）的95%或64%。并且，这种QHJ太阳能电池形貌稳定性大大优于传统BHJ器件。有趣的是，当给体浓度降低时，基于其他给体或稠环电子受体的器件效率会急剧下降。基于超快瞬态吸收光谱、电流感应原子力显微镜和软X射线形貌表征等实验结果，作者揭示了QHJ太阳能电池的工作机理。在基于PTB7-Th:Y6的QHJ中，很大一部分自由电荷本质上是在纯Y6相中产生的，而不是在给受体界面。Y6还起到了双极性电荷输运通道的作用，除了传输电子，在极少给体的情况下还可实现高效的空穴输运。

QHJ结构有别于经典的BHJ结构，克服了BHJ的部分缺点。在QHJ中，可以通过提高本征电荷的产生和减少电荷复合来实现高效率，而不仅仅是依赖于给受体界面上的激子解离。

占肖卫课题组访问学者、青岛大学王逸凡是论文的第一作者，新西兰惠灵顿维多利亚大学Michael B. Price和占肖卫是共同通讯作者。合作者还包括东华大学唐正课题组、西安交通大学马伟课题组、美国雪城大学Quinn Qiao课题组、新西兰惠灵顿维多利亚大学Justin M. Hodgkiss课题组。