一、研究成就与亮点
本研究旨在提高基于二聚体受体（DMAs）的有机太阳能电池（OSCs）的性能，设计并合成了两种新型的DMAs，分别为DC9-HD和DYSe-3。
DC9-HD和DYSe-3拥有几乎相同的共轭骨架，这使得它们在混合时具有良好的兼容性，并促进了高效的电荷生成。
将DYSe-3引入到PM6的二元混合物中，最终实现了19.4%的功率转换效率（PCE），这是迄今为止单结二聚体受体基OSCs的最佳性能。
研究显示，这种三元混合物的开路电压（Voc）为0.898 V，短路电流密度（Jsc）为27.4 mA cm-2，填充因子（FF）接近79%。
所有二元和三元OSCs在65℃下储存约800小时后，仍保持超过80%的原始效率，显示出良好的热稳定性。
二、研究团队
本研究由南开大学纳米科学与技术研究中心主任陈永胜（Yongsheng Chen） 教授，和材料科学与工程学院的阚斌（Bin Kan）教授担任通讯作者。
三、研究背景
在进行本研究之前，有机太阳能电池 (OSCs) 领域取得了重大进展，单结 OSCs 的功率转换效率 (PCE) 已超过 20%。然而，由于 OSCs 不理想的开路电压 (VOC) 损失，目前 PCE 值仍远低于热力学 Shockley–Queisser 极限理论预测的理想 PCE。为了进一步提升有机太阳能电池的光电转换效率(PCE)，研究团队需要持续在新材料开发和器件工程优化方面深入探索，其中材料设计的创新尤为关键。
基于优异的 Y 系列受体，研究人员提出了将两个 Y6 单体组合成一个“准聚合物”分子的方法，该分子具有明确的化学结构和优异的成膜性能，在制造具有低电压损失和高形态稳定性的卷对卷大面积 OSCs 方面显示出巨大潜力。
研究团队开发出一系列直接连接的二聚体受体(DMA)材料，这些材料不仅展现出比小分子和聚合物受体更高的光电转换效率(PCE)，还具有更优异的器件稳定性。在此基础上，研究人员进一步发展出由两个或多个SMA侧翼结构组成的低聚化小分子受体(OSMA)，使PCE突破19%。这类新型OSMA材料融合了SMA和聚合SMA的优势，不仅具有明确的分子结构和良好的批次重现性，还具备低组织能和低扩散系数等特点，成为开发高性能、高稳定性有机太阳能电池的理想材料选择。不过目前基于OSMA的器件效率仍低于传统SMA基有机太阳能电池。
研究团队借鉴了SMA基有机太阳能电池常用的三元策略，致力于提升二聚体受体器件的性能。这一策略已经在多个研究中证实其有效性：
当研究人员将SMA（Y6）作为第三组分添加到D18:DYF-TF二元系统中，器件效率从18.26%提升至18.73%；另一项研究中，通过在PM6:L8-BO-X二元体系中引入少量三聚体受体，三元器件效率更是接近20%。
这些研究成果启发研究人员思考：将一个电子供体与两个OSMA组合制备三元器件具有巨大潜力，可望实现以下优势：
拓展红移吸收范围
减少开路电压损失
增强器件稳定性
然而，目前采用这种简化策略来提升OSMA基有机太阳能电池性能的相关研究还较为有限。
四、解决方案
两种新型二聚体受体的设计与合成
DC9-HD开发：
以DC9为基础材料，将吡咯单元上的2-辛基十二烷基缩短为2-己基癸基
与宽带隙聚合物供体PM6配对，实现18.7%的PCE和约80%的填充因子
DYSe-3开发：
基于多硒吩取代的二聚体受体DYSe-1
将外环十一烷基侧链替换为壬基侧链
与PM6配对后达到27.5 mA cm?2的高短路电流密度
三元器件的开发策略
DYSe-3作为第三组分的选择依据：
与DC9-HD具有相似的共轭骨架，确保良好兼容性
与主体二元共混物混合时可优化形态
具备红移近红外吸收特性，有助于扩大光吸收和提升JSC
增强电荷传输性能
最佳性能实现：
优化材料配比（PM6:DC9-HD:DYSe-3 = 1:1:0.2）
达到19.4%的最高光电转换效率
实现形态特征改善和电荷动力学优化
五、实验过程与步骤
1.材料合成： DC9-HD 和 DYSe-3 的合成路线如图 S1 所示，起始原料化合物 1-1 和 1-2 是根据先前报导的方法合成的。
2.器件制备：
基板处理
ITO玻璃基板经过标准清洗程序（去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗）
紫外臭氧处理20分钟进行表面改质
器件制作
在ITO基板上旋涂Br-2PACz空穴传输层（0.25 mg/ml，3000 rpm）
制备活性层溶液：PM6:DC9-HD（1:1）、PM6:DYSe-3（1:1.2）、PM6:DC9-HD:DYSe-3（1:1:0.2）
旋涂活性层（2000 rpm）并热退火处理（90℃，10分钟）
旋涂PNDIT-F3N电子传输层（1 mg/ml，3300 rpm）
真空蒸镀150 nm银电极
器件参数
活性面积：4 mm2
测试屏蔽面积：3.24 mm2
3.器件表征： OSCs 的电流密度-电压 (J-V) 曲线在充满氮气的手套箱中使用 Keithley 2400 源-测量单元记录。使用光焱科技的SS-F5-3A 太阳光模拟器（AM1.5 G）作为光源，光强度为 100 mW cm-2，通过标准硅太阳能电池校准。使用光焱科技的 QE-R 太阳能电池光谱响应测量系统测量器件的外部量子效率 (EQE) 值。使用轮廓仪测量活性层的厚度。
六、研究成果表征
1. 器件性能表征
电流密度-电压 (J-V) 曲线：
图 3a 展示了基于 PM6:DC9-HD、PM6:DYSe-3 和 PM6:DC9-HD:DYSe-3 器件的 J-V 曲线。PM6:DC9-HD 和 PM6:DYSe-3 二元器件的最佳 PCE 值分别为 18.7% 和 18.6%。三元器件的 JSC 值从 PM6:DC9-HD 器件的 26.2 mA cm?2 显着提高到 27.4 mA cm?2。同时，令人满意的 VOC 为 0.898 V，FF 接近 79%，使得 PM6:DC9-HD:DYSe-3 三元器件在重量比为 1:1:0.2 时的最大 PCE 达到 19.4%。
图 S6a： 展示了 PM6:DC9 和 PM6:DC9-HD 两种器件的 J-V 曲线
推荐使用光焱科技SS-X AM1.5G太阳光模拟器
l 外部量子效率 (EQE) 光谱：本研究使用光焱科技的 QE-R 太阳能电池光谱响应测量系统、FTPS-EQE仪器测量器件的外部量子效率 (EQE) 值。
图 3b 展示了 DC9-HD 和 DYSe-3 的 EQE 光谱。与 PM6:DC9-HD 二元器件相比，PM6:DC9-HD:DYSe-3 三元器件在 600-800 nm 范围内显示出更宽的吸收范围和增强的 EQE 值，从而导致 JSC 增加。三元器件的积分 JSC 值为 26.5 mA cm?2，比 PM6:DC9-HD 二元器件 (25.7 mA cm?2) 高 0.8 mA cm?2。
图 S6b： 展示了 PM6:DC9 和 PM6:DC9-HD 两种器件的 EQE 光谱
推荐使用光焱科技QE-R量子效率光学仪
图 S7： 展示了 PM6:DC9-HD、PM6:DYSe-3 和 PM6:DC9-HD:DYSe-3 三种器件的归一化 FTPS-EQE 光谱
推荐使用光焱科技FTPS傅立叶转换光电流测试仪
l 面积器件性能： 使用 PM6:DC9-HD:DYSe-3 三元共混物制造了有效面积为 1 cm2 的器件。
图 3e 显示了相应的 J-V 曲线，所得器件的 PCE 为 16.4%，突出了此类组合在大面积器件制造中的潜力。
l 热稳定性测试： 对所有二元和三元 OSCs 进行了热稳定性测试。
如图 3f 所示，在手套箱中 65 °C 下热老化约 800 小时后，所有研究的二元和三元 OSCs 均保留了其原始效率的 80%，表明基于二聚体受体的 OSCs 具有良好的热稳定性。
l 光老化测试： 
在充满氮气的手套箱中，在最大功率点 (MPP) 跟踪下光老化 200 小时后，基于 PM6:DC9-HD、PM6:DYSe-3 和 PM6:DC9-HD:DYSe-3 的器件的 PCE 分别保持其原始 PCE 的 70%、63% 和 71% (图 S8)。
2. 电荷动力学分析
●激子扩散长度 (LD)： 通过泵浦能量依赖的瞬态吸收光谱，采用激子-激子湮灭法估计了 DC9-HD 薄膜和 DYSe-3 薄膜中的激子扩散长度 LD (表 S12)。
提取的 DC9-HD 薄膜的 LD 值大于 DYSe-3 (46.4 nm vs 38.2 nm)，这可能导致与基于 DYSe-3 的器件相比，基于 DC9-HD 的器件中的激子扩散和激子解离更快 (图 4a,b)。
●电荷解离概率 (Pdiss) 和电荷收集概率 (Pcoll)： 所有器件的电荷解离概率 (Pdiss) 和电荷收集概率 (Pcoll) 根据它们的光致电流密度与有效电压图计算 (图 4c)。
与 PM6:DYSe 二元器件相比，PM6:DC9-HD 二元器件和 PM6:DC9-HD:DYSe-3 三元器件表现出略高的 Pdiss 值 (98%) 和 Pcoll 值 (分别为 90% 和 89%)。这些发现与 DC9-HD 较长的 LD 值一致，并验证了基于 DC9-HD 的二元和三元器件中更高的 EQE 响应。
●JSC 与光强度的关系： 
图 4d 显示，PM6:DC9-HD:DYSe-3 三元器件表现出最高的 α 值 (0.99)，表明双分子复合受到抑制，这与电压损失分析结果一致。
●瞬态光电流 (TPC) 测量： 进行了瞬态光电流 (TPC) 测量以评估三个器件的电荷提取时间 (图 4e)。
PM6:DC9-HD、PM6:DYSe-3 和 PM6:DC9-HD:DYSe-3 器件的电荷提取时间分别为 0.28、0.25 和 0.22 μs。最短的电荷提取时间表明在 PM6:DC9-HD:DYSe-3 三元器件中载流子被更有效地提取。
●电荷传输性能： 通过 SCLC 方法评估电荷传输性能 (图 S9)，
计算出的空穴和电子迁移率如图 4f 所示。
三元器件获得了最高的空穴和电子迁移率，以及平衡的电荷传输，这可以降低双分子和陷阱辅助复合的可能性。这些观察结果表明，PM6:DC9-HD:DYSe-3 三元器件的制造有效地减轻了双分子复合并促进了有效的电荷产生，从而导致 EQE 响应值增加和 VOC 损失降低，从而使相应器件中的 JSC×VOC 值。
3. 形态分析
●原子力显微镜 (AFM)： 通过原子力显微镜 (AFM) 评估所有二元和三元共混物的表面形态，如图 5a 所示。
测量结果显示，PM6:DYSe-3 二元薄膜由于 PM6 和 DYSe-3 之间的高互溶性而表现出较小的纤维直径，而 DC9-HD 较大的激子扩散长度可以促进其混合薄膜中的有效激子解离。
●掠入射广角 X 射线散射 (GIWAXS)： 进行 GIWAXS 测量以用于阐明三种共混物薄膜 (PM6:DC9-HD、PM6:DYSe-3 和 PM6:DC9-HD:DYSe-3) 的分子堆积和结晶度，相应的衍射图像如图 5b 所示。
测量结果显示，三元共混物薄膜中供体和受体的结晶度同时增强，这有助于改善电荷传输性能，并最终提高器件的 EQE 响应。
七、研究成果
本研究设计并合成了两种高度兼容的二聚体受体 DC9-HD 和 DYSe-3。受益于其低 VOC 损失和长激子扩散长度，基于 DC9-HD 和 DYSe-3 的二元 OSCs 均实现了超过 18.5% 的 PCE。值得注意的是，将 DYSe-3 作为第三组分加入到 PM6:DC9-HD 共混物中可以优化光子利用范围并改善形态特征，从而促进三元共混物中的电荷生成并减少电荷复合。这种优化使得三元 OSCs 同时实现了 0.898 V 的理想 VOC、27.4 mA cm?2 的 JSC 和接近 79% 的 FF，从而使基于二聚体受体的单结 OSCs 实现了 19.4% 的 PCE。据我们所知，这一结果是迄今为止基于 OSMA 器件的最佳性能。此外，在手套箱中 65 °C 下热老化约 800 小时后，所有二元和三元 OSCs 均保留了其原始效率的 80% 以上，表明基于 OSMA 的 OSCs 具有优异的热稳定性。这些发现强调了基于 OSMA 的 OSCs 在实现高效和稳定器件方面的巨大潜力，值得更多关注以加速 OSCs 的发展。
文献参考自Advanced Energy Material_DOI: 10.1002/aenm.202404062
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