调控给体-受体互穿界面抑制OSCs中的电子 - 声子耦合与能量损耗

主要内容

香港科技大学吴佳莹等人的研究表明，有机太阳能电池的光电转换效率已突破21%，但非辐射能量损失（qΔVₙᵣ）仍是进一步提升其开路电压（Voc）的关键瓶颈。这类损失主要由界面电荷转移态的光电特性决定，而电子-声子耦合作用（EPC）在此过程中的具体作用机制尚未完全明确。

该团队通过分析三款全聚合物有机太阳能电池与四款小分子受体（SMA）基有机太阳能电池，发现供体-受体（D-A）界面存在两种混合相，可形成两类特征鲜明的电荷转移态，进而实现高效电荷产生。这两种混合相分别源于无定形供体-受体的缠结作用（命名为缠结型界面，E-界面），以及受体准聚集体向供体聚合物基体的渗透作用（命名为渗透型界面，P-界面）。由于分子内相互作用受到抑制，P-界面的EPC作用本征弱于E-界面，这也使得P-界面主导的全聚合物太阳能电池，其非辐射能量损失较E-界面主导的Y系列SMA基太阳能电池显著降低约60毫电子伏。

具体而言，在PA体系中，准聚集体形成的高占比P-界面可构建平缓的能量势垒，促进高效电荷产生；而SMA体系中陡峭的能量势垒则会阻碍电荷产生的动力学过程。研究提出，可通过计算ΔrDoC与A₂/A₁的数值，对E-界面与P-界面的相对占比进行定量评估。实验结果显示，PA体系中高占比P-界面使qΔVₙᵣ显著降低约55毫电子伏（见图6），其中P-界面处的弱EPC作用贡献了超半数降幅（约35毫电子伏）；相比之下，P-界面占比较低的SMA体系，qΔVₙᵣ抑制幅度更小（约38毫电子伏），但EPC相关作用的贡献仍占总抑制幅度的近一半（约20毫电子伏）。

将PA作为客体组分引入SMA体系，可调控P-界面占比以削弱EPC作用，进而提升器件Voc。基于上述结论，研究团队采用准本体异质结策略制备了D18-PYIT-eC9三元器件，实现了约20毫电子伏的Voc提升。该研究证实，通过调控P-界面占比抑制EPC作用，同时合理调控P-界面形成过程、优化从体相到界面的能量势垒分布，是降低有机太阳能电池非辐射电压损失、突破其效率瓶颈的有效策略。

文献信息

Suppressingelectron-phononcouplingandenergylossinorganicsolarcellsbymodulatingdonor-acceptorpenetrated-interface

YongminLuo,YulongHai,YaoLi,RuijieMa,LunbiWu,KezhouFan,YiChan,TopArchieDelaPeña,FangliangDong,MingWang,YengMingLam,HeYan,KamSingWong,TaoJia,GangLi&JiayingWu

https://www.nature.com/articles/s41467-026-68731-7