王恺团队Solar RRL:基于非富勒烯半透明有机太阳能电池的自旋光电现象

1.前言

得益于优越的光电性能、颜色可调以及可大规模制造的优点，半透明有机太阳能电池（ST-OSC）在发电窗户、屋顶、便携式电子设备等集成光伏等领域具有广阔的应用前景，目前也获得了学术界和工业界的广泛关注。基于非富勒烯受体（NFA）的体异质结有机太阳能电池（BHJ-OSC）对较长波长光的吸收能力显著提高，这一优点有望大大提高ST-OSC的平均可见光透过率（AVT）。

如何平衡光电转换效率（PCE）和AVT仍然是ST-OSC领域的研究热点。目前看来，提高短路电流密度（JSC）和开路电压（VOC）是发展高PCE的关键性途径，越来越多的工作围绕新型材料合成、分子改进等方法来调节NFA的光电性能，近年来也取得了一些优异的成果。尽管如此，NFA半透明体系内部的光物理和自旋相关现象仍然非常常见，同时分子动力学的某些方面与富勒烯体系并不相同。因此，深入研究基于NFAs的半透明光伏系统中自旋相关的光电现象和光致极化率，对于理解光伏作用的内部电子-空穴动力学行为具有重要意义。

2.简介

基于以上的考虑，近日，北京交通大学王恺副教授研究团队采用PTB7-Th:IEICO-4F作为ST-OSC的光活性层，系统而全面研究了该器件内部与自旋相关的光物理现象。小分子受体IEICO-4F在近红外区具有较强的光吸收能，因而非常适用于ST-OSC。此外，在端基上引入氟原子使得A-D-A构型分子的内部电荷转移得到显著增强，最终，所制备的ST-OSC器件的PCE和AVT分别约为8.73%和26.8%。

为了彻底解释内部与自旋相关的光物理现象，研究人员主要采用了magneto-J技术开展相关研究。最终结果表明：1.大的光电流对应于高magneto-J信号，这就要求D-A体系具有较强的光吸收能力和光谱重叠；2.在黑暗条件下，基于PTB7-Th:IEICO-4F的ST-OSC体系的电荷/自旋运输机制主要由双极化子模型决定。对于SC来说，自旋依赖的极化子对解离开始占主导地位，而当同时施加光激发和偏压时，极化子对的解离和三重态极化子反应对光电流都有贡献。3.光致极化率与波长有关，给受体光谱吸收的大程度重叠使得VOC显著增加。

3.总结

综上，该工作说明，具有高PCE和AVT的ST-OSC可能需要给受体分子在近红外区域的光吸收光谱有更大程度的重叠，以便有足够多的光生极化子用于解离。 此外，长波长下的光致极化率的优化也是非常有必要的，为了避免VOC的损失，需要在材料优化过程中尽量减少无序能量，提高结晶度。相关研究成果现已发表在《Solar RRL》上，题为“Spin‐Optoelectronic Phenomena for Semitransparent Nonfullerene Photovoltaic System”。

本文关键词：有机太阳能电池，OSC，半透明有机太阳能电池，ST-OSC，平均可见光透过率，极化子，自旋，开路电压，短路电流密度，PTB7-Th，IEICO-4F。

4.文中所涉及材料

PTB7-Th

1469791-66-9

IEICO-4F

2089044-02-8

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