Small Methods综述: 设计高效三元有机光伏

01【导读】

三元策略，在传统的二元 D:A 混合物中添加额外的给体 (D) 或受体 (A)，在提高有机光伏 (OPV) 的光伏性能以用于实际应用方面显示出巨大的潜力。然而，三元策略的一大挑战是，第三部分也可能是缺陷，从而扰乱了主体二元系统。在早期，三元共混物的常见设计策略包括构建级联能级排列以增强电荷转移，实现能量转移的互补吸收覆盖，或引入高结晶材料进行取向调整。然而，随着高效二元体系的出现，通常基于 Y 系列 NFAs 的体系，具有广泛的吸收范围、匹配的能级和高迁移率。改善主体二元系统的形态有序或能量有序成为三元共混设计越来越重要的考虑因素。目前，基于Y系列NFA的最先进OPV已经进行了大量的三元工作，以提高创纪录值的效率，接近实际应用的门槛。因此，在OPV商业化的之前，有必要回顾三元策略如何在高效 OPV 中发挥作用，并根据最近具有高效率的令人鼓舞的工作找到设计成功三元混合物的新观点。

02【成果掠影】

近日，浙江大学陈红征教授课题组发表了评述性论文，从形态、能量损失和工作机制等方面对如何实现高效的三元OPV进行了综述。在形貌方面，讨论了由混溶性调整驱动的第三组分对优选类合金相和垂直相形成的作用。对于能量损失，介绍了第三组分对发光增强和能量无序抑制的影响，这导致电压的有利增加。关于工作机制，分析了两个受体或给体/受体之间的稀释效应和关系，这解释了观察到的器件参数变化。最后，作者指出了有关三元OPV的一些未来方向。因此，本综述可以全面了解高效三元系统的工作原理和有效途径，推动OPV的商业化。

03【核心内容】

对于形貌，由于第三组分引起的混溶性变化，它可能在类合金相、多相或垂直相之间演变。通常，类合金相将需要高度混溶的材料，即两个受体或两个给体，而需要与主体材料混溶性降低的第三组分来形成多相或垂直相。此外，两种高度混溶的 NFA 形成的类合金复合材料也可能显示出与主体给体的混溶性降低，因此有利于垂直分布调整。

对于能量损失，如果发光调谐是影响能量损失的主要因素，最常见的情况是三元OPV的电压变化与第三组分的重量比呈近似线性关系。 如果能量无序调谐参与影响能量损失，也可能发生电压变化的特殊情况，因此可以获得比二元OPV更高的三元OPV电压。 设计具有小能量无序的高发光材料是构建高效三元OPV的渴望。

关于工作机制，稀释效应可以解释光电压和带隙的成分依赖性变化，通过具有高 CT 状态的 NFA 调制能量偏移可以缓解非辐射损耗，增强终端填充强度，从而实现更好的电荷传输和更弱的电子-振动耦合。 然而，三元系统是多种多样的，不同的工作机制可能共存于一种三元混合物中。 应该付出更多的努力来了解更多解释三元OPV中显示的特殊现象的工作机制。

未来在三元OPV中应注意以下几个方向：(1) 随着第三组分位置的变化，可能会出现不同的相位情况，但相位情况的表征大多是间接的或宏观尺度的，还需要直接观察第三组分与主体材料分子水平的分布，从而更好地了解第三组分如何调整形态。(2) 目前，三元OPV的能量损失主要通过引入具有较高光致发光产率的第三组分来调节。还需要通过三元策略提高纯薄膜的光致发光产率从窄带隙材料到器件的电致发光产率的转换效率，例如减少非配子三重态激子复合。(3) 稳定性是影响实际应用的关键因素之一，三元器件的稳定性似乎比许多工作中报道的相关二元器件具有更高的稳定性。但是，其隐藏的原因尚不清楚，因此需要更多的研究来揭示。(4)随 着高效二元系统的出现，通常如Y系列分子，三元OPV的效率提高程度有限。应该探索新的发现，这些发现对优化三元 OPV 的设备性能具有积极影响。(5) 除了 效率，厚膜、大面积 等其 他因素对 OPV的工业应用也很关键。研究三元策略如何在厚膜或大面积的高效 OPV 中发挥作用也很重要。

04【数据概览】

图一、不同相分布形式及能量损失分析

图二、代表性给体和受体的化学结构

文献链接：

Achieving and Understanding of Highly Efficient Ternary Organic Photovoltaics: From Morphology and Energy Loss to Working Mechanism, small, 2022.

https://doi.org/10.1002/smtd.202200828

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