综述：基于光谱和器件分析的界面工程在三元共混聚合物太阳能电池中的应用

这篇综述深入探讨了三元共混聚合物太阳能电池（PSCs）的界面工程策略，通过引入近红外（near-IR）染料分子（如硅酞菁衍生物SiPc6）作为第三组分，有效拓宽光捕获范围并提升激子收集效率。作者结合瞬态吸收光谱和器件分析，揭示了染料分子在给体（如P3HT）/受体（如PCBM）界面的自发偏析机制，以及通过分子设计（如异质结构染料SiPcBz6）优化界面选择性的方法。研究还指出三元共混可改善电荷传输（如空穴迁移率提升至6.3×10-4 cm2 V-1 s-1 ），为高效有机光伏（OPV）器件（效率>20%）提供了新思路。

　　

引言

聚合物太阳能电池以其轻质、柔性和可溶液加工等优势成为新一代光伏技术的研究热点。其光活性层通常由给体共轭聚合物（如P3HT）和受体分子（如富勒烯衍生物PCBM）共混构成。然而，二元共混体系因有机材料窄吸收带宽（<200 nm）难以覆盖太阳光全光谱。三元共混策略通过引入近红外吸收材料（如硅酞菁SiPc6），可突破这一限制。

效率进展

自1995年体异质结结构提出以来，聚合物太阳能电池的能量转换效率（PCE）从最初1%提升至2025年的21%。关键突破包括：低带隙聚合物（如PTB7-Th）拓展近红外吸收、非富勒烯受体（NFA）优化能级匹配，以及三元共混结构实现互补光捕获。例如，SiPc6的引入使P3HT/PCBM体系的短路电流密度（J_SC
）从9 mA cm^-2
提升至11 mA cm^-2
。

近红外染料设计

染料分子结构直接影响器件性能。平面结构的锌酞菁（ZnPc）易过度聚集，导致填充因子（FF）下降；而具有轴向己基配体的硅酞菁（SiPc6）能自发偏析至P3HT/PCBM界面，通过两种机制增强光电流：

1. 直接吸收：SiPc6在680 nm处新增外量子效率（EQE）峰；
2. 间接能量转移：P3HT激子通过长程福斯特共振能量转移（FRET）高效收集至界面。

界面偏析机制

瞬态吸收光谱显示，SiPc6在P3HT域中先形成激子（2 ps），随后电子转移至PCBM（50 ps），证实其位于界面。表面能分析表明，当染料表面能介于给体/受体之间时（如SiPc6的ω_{SiPc6/P3HT-PCBM}
=0.32），会自发偏析至界面。通过设计异质结构染料（如同时含己基和苄基的SiPcBz6），可将染料负载量提升至15 wt%，使PCE提高30%。

电荷传输优化

三元共混还能改善电荷传输。在PDCBT/PTB7-Th/PCBM体系中，PTB7-Th空穴迁移率从2.4×10^-4
cm²
V^-1
s^-1
提升至6.3×10^-4
cm²
V^-1
s^-1
，归因于共轭聚合物链有序性增强。

总结与展望

三元共混策略通过界面工程实现了宽光谱吸收和高效电荷收集，已成为高效有机太阳能电池（如效率>20%的Y系列NFA体系）的标准结构。未来研究可进一步探索分子组装动力学与器件物理的关联，推动产业化应用。