通过热诱导受体聚集和光致发光分析量化有机太阳能电池中的激子解离效率

《Advanced Energy Materials》：Exciton Dissociation Efficiency in Organic Solar Cells Quantified Via Thermally Induced Acceptor Aggregation and Photoluminescence Analysis

本研究提出通过热诱导受体聚集效应量化有机光伏（OPV）激子解离效率的方法。利用吸光度、生成电流密度和光致发光（PL）强度随老化时间的变化关联，在未老化状态下得出PV-X plus和PM6:DTY6的激子解离效率分别为92.8%和95.9%。实验证实受体聚集导致解离效率下降，表明形态学变化是OPV性能衰减的主因。光学模拟验证了初始解离效率，但误差较大，凸显所提方法的准确性和形态学相关损失诊断的适用性。

　　有机光伏（OPV）器件的性能在很大程度上依赖于在给定的给体-受体界面处有效分离激子的效率。激子分离效率受到器件中材料形态的显著影响。本研究提出了一种基于热诱导受体聚集效应的方法，用于量化激子分离效率。该方法通过观察受体聚集对激子分离的影响，能够准确评估器件在初始状态以及老化过程中的激子分离效率。实验结果表明，对于PV-X plus材料，初始状态下的激子分离效率为92.8%，而PM6:DTY6的激子分离效率为95.9%。随着老化时间的增加，激子分离效率会逐渐下降，表明受体聚集可能成为限制OPV器件性能的关键因素。

有机太阳能电池（OSCs）作为一项具有广阔应用前景的光伏技术，因其低成本、低能耗的制造工艺以及光学和电学性能的可调性而受到广泛关注。自20世纪50年代以来，研究人员对有机半导体材料进行了深入探索，尤其是在共轭聚合物的发现上取得了突破性进展。1986年，双层异质结太阳能电池的出现标志着有机光伏研究的一个重要里程碑，这种设计利用了给体和受体材料之间电子亲和力的差异，从而提高了激子的分离效率，使得光电转换效率突破了10%的门槛。然而，随着时间的推移，这种初始的高效形态会逐渐发生变化，这成为限制OPV长期稳定性的关键问题。

近年来，非富勒烯受体（NFAs）的出现改变了传统的OPV设计，它们不仅在可见光和近红外波段具有较强的吸收能力，还能够通过能量转移机制从给体材料中获取激子。这种特性使得NFAs在促进激子分离方面表现出更高的潜力。然而，随着NFAs在热作用下的聚集，其性能也会受到影响。聚集会减少给体-受体界面的面积，从而降低激子的分离效率。因此，研究如何利用受体聚集效应来评估激子分离效率，对于理解OPV器件在老化过程中的性能退化至关重要。

本研究采用了一种基于激子分离效率和光致发光（PL）强度变化的方法，来量化激子分离效率。通过分析吸光度、电流密度和PL强度随老化时间的变化趋势，研究人员能够提取出激子分离效率的具体数值。这一方法不仅适用于初始状态下的评估，也能够追踪老化过程中的变化。实验结果显示，PV-X plus在热老化过程中，激子分离效率降低了约28%，而PM6:DTY6的效率下降幅度相对较小，仅为8%。这些数据表明，受体的聚集行为对激子分离效率的影响因材料而异，且可能成为限制OPV性能的关键因素。

在实验过程中，研究人员首先制备了两种高性能的有机吸收材料系统：PV-X plus和PM6:DTY6。通过加速热老化处理，观察到受体材料在微米尺度上形成了聚集结构。这种结构的变化导致了吸收性能的改变，表现为近红外波段吸收强度的下降。同时，PL强度的变化也反映了激子分离效率的下降，因为非分离的激子会在受体区域积累并产生更强的光致发光信号。此外，实验还发现，随着老化时间的延长，PL信号变得更加窄，表明受体区域的分子有序性提高，这与受体聚集引起的结构变化密切相关。

为了进一步验证这一方法的有效性，研究人员将其与传统的光学模拟方法进行了对比。光学模拟通常基于材料的折射率和消光系数，通过模拟多层结构的光吸收情况来估算激子分离效率。然而，这种方法对层厚的依赖性较强，导致较大的误差范围。相比之下，基于热诱导受体聚集的方法不仅能够更准确地捕捉到激子分离效率的变化趋势，还能够减少因层厚变化带来的系统误差。通过实验数据和模拟结果的对比，研究人员发现两种方法得到的激子分离效率值在各自的误差范围内保持一致，从而验证了该方法的可靠性。

在实验设计方面，研究人员采用了透明的空穴接触层和不透明的电子接触层，以确保测量的准确性。对于PV-X plus和PM6:DTY6两种材料，通过扫描电子显微镜（SEM）观察其形态变化，同时利用PL测量和光谱分析来评估激子分离效率的变化。实验结果表明，即使在材料发生聚集的情况下，其激子的光致发光量子产率（PLQY）仍保持稳定，这表明材料的化学稳定性并未受到明显影响。此外，实验还发现，尽管在老化过程中激子分离效率下降，但自由电荷载流子的再结合效率并未显著变化，进一步支持了该方法的有效性。

本研究的结果对有机光伏器件的性能优化具有重要意义。首先，它揭示了受体聚集对激子分离效率的直接影响，表明材料的长期稳定性不仅取决于其化学性质，还与形态演变密切相关。其次，该方法提供了一种新的诊断工具，能够更系统地评估形态相关的性能损失，这对于开发更稳定的OPV器件至关重要。此外，研究还表明，激子分离效率是限制内部量子效率（IQE）的关键因素，因此提高激子分离效率是提升OPV器件性能的重要途径。

为了进一步拓展该方法的应用范围，研究人员建议未来可以系统地调整给体-受体比例，以观察形态变化对激子分离效率的影响。这不仅有助于验证该方法的普遍适用性，还可能为优化OPV器件的性能提供新的思路。此外，研究还指出，该方法在材料发生显著的光致发光量子产率下降时可能会受到限制，因此在材料设计和工艺优化过程中，需要综合考虑多种因素，以确保激子分离效率的稳定性。

总之，本研究通过引入一种基于热诱导受体聚集的新型方法，成功量化了有机光伏器件中激子分离效率的变化趋势。这一方法不仅在实验中得到了验证，还与传统的光学模拟方法形成了有效的对比，展示了其在评估材料性能退化方面的优势。未来的研究可以进一步优化该方法，以适应更多类型的有机光伏材料，并探索其在实际应用中的潜力。