星邦娱乐-首选注册原标题：西安交通大学材料学院闫晗/马伟AS：有机光伏电池内部电势分布重塑抑制非平衡载流子迁移率所致效率损失

　　创新点：西安交通大学材料学院闫晗/马伟课题组针对有机太阳能电池中普遍存在的因载流子迁移率不平衡所致的光伏性能下降，提出以对电极侧反型掺杂来重塑活性层内部电势分布，以增强远端电极附近低迁移率载流子的提取能力。

　　关键词：有机太阳能电池，非平衡载流子，分子掺杂，内建电势分布，半透明器件

　　随着有机光伏材料的蓬勃发展，有机太阳能电池（OSC）的功率转换效率（PCE）已经接近20%。器件效率的继续提升需要克服有机光伏材料的本征限制。当前的高效有机光伏材料普遍具有宽吸收范围和高消光系数的优异光学特性，电子给体/受体异质结处的能极差已不再是高效光生电荷的必备条件，同时有机光伏材料的光学带隙已接近肖克利-奎瑟尔（Shockley-Queisser）理论预测的最佳值。相较于优异的光学性能，有机光伏材料的电学性能仍是制约器件效率的短板。有机半导体材料中强电子-声子耦合以及能量/结构无序决定了有机半导体中极化子的跳跃传输模式，因而有机光伏材料的电荷迁移率普遍处于1×10-4 cm2Vs-1这一数量级；此外，因电子和空穴分别在受体和给体材料中传输，不同材料的本征迁移率、微观形貌和局部比例往往导致两种载流子迁移率的数值差异。低且不平衡的双极性载流子迁移率阻碍了弱电势下有机光伏器件的电荷收集效率，从而成为了制约有机太阳能电池光电转换效率的关键瓶颈。

　　西安交通大学材料科学与工程学院的闫晗/马伟团队，针对有机太阳能电池中低且不平衡的迁移率制约光生电荷收集的难题进行了探索：团队提出了对电极侧反向掺杂以增强远端内建电势，进而优化低迁移率载流子收集效率的新策略(TOC图)。该策略在高效器件与组分稀释器件中均展现出优异的性能提升能力，亦为半透明电池光伏效率的提升提供了新思路。

　　研究团队利用漂移扩散理论（DDG）模拟对电极侧反向掺杂器件性能，研究发现将n（p）型掺杂剂添加至阳极（阴极）附近区域时，随掺杂深度增加，活性层中会出现S型电势分布。这表明，阳极（阴极）附近电场因反型掺杂而显著增强。尽管中间区域的电场略有下降，但是S型电势分布保证了电极附近区域载流子的有效提取（图1a）。

　　随后该研究团队以高效的PM6/BTP-eC9（图1b）材料体系对上述模拟结果进行实验验证。因PM6/BTP-eC9薄膜中空穴迁移率高于电子迁移率，因而选择阳极n型掺杂优化。该团队使用N-DMBI作为n型掺杂剂。在高效本体异质结（BHJ）器件中，阳极n掺杂将器件的填充因子（FF）从72.7%提升至76.7%，相应的PCE从16.9%提升至18.0%（图1c）。团队进一步探索了该策略在给体稀释异质结半透明有机太阳能电池中的应用；此时，活性层中因组分不平衡往往会加剧双极性载流子迁移率的差异。研究表明，对质量比为1:3的半透明器件进行阳极n掺杂优化后，器件的光利用率（LUE）由3.0%提升至3.5%（图2d），同时器件表现出了良好的中性显色能力（图2e和2f）。团队提出的对电极侧反型掺杂策略有别于传统的有机太阳能电池器件掺杂理念；重塑内建电势分布，而非提升材料的载流子迁移率，亦为破解有机光伏器件中的电荷收集瓶颈提供了新思路。

　　Advanced Science 是Wiley旗下创刊于2014年的优质开源期刊，发表材料科学、物理化学、生物医药、工程等各领域的创新成果与前沿进展。期刊为致力于最大程度地向公众传播科研成果，所有文章均可免费获取。被Medline收录，PubMed可查。最新影响因子为17.521，中科院2021年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技术大类Q1区。