科学家们最近调整了三元有机太阳能电池（TOSC）的材料，使其效率达到了传统太阳能电池的水平。相关成果最近发表在《先进材料》杂志上。这项研究由中国科学院青岛生物能源与生物过程技术研究所（QIBEBT）的研究人员完成。

研究人员通过引入 "客体 "成分，提高了三元有机太阳能电池的效率。这种改性可改善太阳能电池对阳光的吸收，优化太阳能电池的运行。通过对这种客体成分进行战略性放置和改性，他们实现了超过 19% 的功率转换效率提升。

有机与无机太阳能电池

有机光伏太阳能电池（OSC）是一种使用有机材料（通常由小分子或聚合物组成）将太阳光转化为电能的太阳能电池，有别于使用晶体硅或其他无机材料的传统无机太阳能电池。

开放式太阳能电池的主要优点之一是灵活轻便。利用喷墨打印等基于溶液的工艺，它们可以廉价地制成柔性卷筒而非刚性面板，因此适合传感器、便携式充电器或可穿戴电子设备等多种应用。OSC 还可以设计成半透明或各种颜色，从而可以美观地集成到建筑物、窗户或其他结构中。

不过，与无机太阳能电池相比，开放式晶体管的功率转换效率（PCE）较低。TOSC在一定程度上改变了这一状况。传统的二元有机太阳能电池由供体材料和受体材料组成，与之不同的是，TOSC 包含额外的第三种成分，通常称为"客体"。引入这种客体成分是为了优化太阳能电池运行的各个方面，从调整电池的内部能量流到改进电池如何将光能转化为电能。

三元组份活性层中嵌入的主/客体"合金"聚集说明。资料来源：李永海

客体"成分的作用

对于提高 PCE 尤为重要的是，客体成分还可以拓宽可吸收光的光谱。通过选择一种能在供体或受体未覆盖的范围内吸收光的客体材料，可以提高电池对阳光的整体吸收率。同时，还能很好地调整混合薄膜的形态，使其能够进行激子解离、电荷生成和传输。

鉴于客体成分可以发挥多种不同的功能，其在太阳能电池'三明治'或矩阵中的具体位置可以从根本上改变性能。该研究的合著者李永海说："根据其位置的不同，客体元件既可以以闪电般的速度传输能量，也可以帮助捕捉更多的阳光。"

现有三种不同位置的可能性：嵌入供体材料，嵌入受体材料，或以某种方式分散在供体和受体界面之间，形成混合的合金状结构（聚集体）。但到目前为止，人们还很少关注客体成分的位置问题。

实验细节和结果

在研究中，研究人员在 TOSC 中使用了一种名为 LA1 的客体成分（与其他客体成分材料的结晶度不同）。LA1 是一种小分子受体，研究人员用苯基烷基侧链对其进行了修饰--苯基烷基侧链是一种官能团（分子中原子的集合，具有自身的一系列特性），常用于设计用于光伏设备的有机材料。用苯基烷基侧链对 LA1 进行改性，在保持令人满意的兼容性的同时，改善了其结晶度和排列，从而提高了其在 TOSC 中的性能。

此外，研究人员还通过对与主成分相互作用的各种条件（包括主/客体相容性、表面能、结晶动力学和分子间相互作用）进行调控，来调节客体成分的分布。通过这种方法，他们在大多数客体分子中发现了类似合金的聚集体，这些聚集体也渗透并分散到宿主分子中。

令人印象深刻的是，这些嵌入式主/客"合金"的结晶尺寸可以很容易地进行微调，以改善电荷传输和抑制电荷重组。因此，研究人员最初能够实现 15% 以上的 PCE 增效，然后通过将客体成分与作为主成分的 Y6 系列受体相结合，他们实现了 19% 以上的更大增效。

研究人员认为，他们已经取得了相当大的实验成功，但这些增益的驱动力在理论上仍然不太清楚。展望未来，研究人员希望能更好地阐明这些基本机制。