基于二阶复合模型探究温度对体异质结有机太阳能电池参数的影响机制

本研究针对有机薄膜太阳能电池(BHJ-OSCs)中光生载流子复合与提取的竞争机制难题，通过建立二阶动力学复合模型，分析了PCDTBT:PC71 BM和PTB7-Th:PC71 BM器件在不同温度下的J-V特性。研究发现填充因子(FF)与品质因子θo 存在明确函数关系，并成功将该模型拓展至非富勒烯器件，为高效有机光伏材料设计提供了理论依据。

　　

随着全球对绿色能源需求的激增，有机太阳能电池(OSCs)因其柔性、轻质和可溶液加工等优势成为研究热点。体异质结(BHJ)结构通过给体-受体混合活性层大幅提升效率，但光生载流子在抵达电极前经历的复杂动力学过程——包括电荷转移态(CTS)解离、双分子复合和载流子提取——仍是制约效率提升的瓶颈。尤其温度变化会显著影响这些过程的竞争关系，而传统模型难以准确解析这种动态平衡。

巴西科学技术委员会资助的研究团队在《Synthetic Metals》发表的工作，创新性地将二阶复合动力学模型应用于两种经典BHJ-OSCs：分别采用PCDTBT和PTB7-Th作为给体材料，PC₇₁
BM作为富勒烯受体。通过变温J-V测试结合理论建模，团队揭示了填充因子(FF)与品质因子θ_o
（定义为复合速率与提取速率之比）的普适性关系，并将该模型成功拓展至前沿的非富勒烯体系。

研究主要采用三种关键技术：1）器件制备采用ITO/PEDOT:PSS/活性层/Ca:Al标准结构；2）通过原子力显微镜(AFM)表征活性层形貌；3）基于Amorim推导的光电流方程进行参数拟合，该方程包含CTS解离概率P、内建电压V_bi
等关键参数。

【Model description】
通过重整化方程(7)将θ_o
分解为温度敏感项（如载流子迁移率μ）与非敏感项（如活性层厚度L），发现低温下μ下降导致θ_o
增大，使FF从PTB7-Th器件的68.2%（300K）降至62.1%（200K）。

【Experimental】
对比两种给体材料发现，PTB7-Th:PC₇₁
BM器件在300K时效率达8.3%，优于PCDTBT器件的6.7%，归因于其更高的μ值和更优的相分离形貌。

【Photovoltaic characterization】
AFM显示PTB7-Th体系具有更均匀的纳米纤维网络，这解释了其更高的短路电流密度(J_sc
=14.6 mA/cm²
)和填充因子(FF=0.682)。

【Discussion】
温度依赖性分析表明，θ_o
的增大主要源于μ的Arrhenius型下降，而PCDTBT器件表现更强的热激活特性，活化能达0.32eV，反映其更强的陷阱辅助复合机制。

【Conclusions】
该研究首次将二阶复合模型应用于高效非富勒烯OSCs，证实FF(θ_o
)关系的普适性。通过解析温度对μ和θ_o
的影响规律，为优化活性层形貌和界面工程提供了量化指标。Daniel Roger Bezerra Amorim等作者指出，该模型可指导开发更稳定的宽温域有机光伏器件。

这项工作的核心突破在于建立了实验参数与底层物理机制的桥梁——通过θ_o
这个无量纲参数，研究者能够直观评估复合损失与提取效率的权衡关系。这不仅解释了为何PTB7-Th体系性能更优，更为分子设计提供了新思路：降低θ_o
的关键在于同步提升μ和CTS解离概率P。当应用于Y6等明星非富勒烯受体时，模型同样展现出卓越的预测能力，标志着有机光伏理论研究的重要进步。