论文概览
针对有机太阳能电池中非辐射电压损失过高这一限制效率提升的关键瓶颈，北京航空航天大学、广东技术师范大学、瑞典林雪平大学等多家科研团队创新性地提出利用高发光聚合物给体作为第三组分来优化界面性能。该研究设计并合成了一种具有聚集增强发光特性的聚合物给体PINTSO-F，其薄膜光致发光量子产率高达37.30%。通过将PINTSO-F引入经典的PM6:BTP-eC9二元体系，研究发现其优先分布于给体-受体界面，从而协同优化了界面形貌、能级景观和电荷动力学。该策略一方面显著降低了体系的非辐射复合速率，另一方面将界面电荷产生效率提升至近乎100%。最终，基于该三元体系的器件实现了0.192 V的低非辐射电压损失和20.36%的高能量转换效率（Voc=0.888 V，FF=83.0%，Jsc=28.20 mA/cm²）。该工作以"Aggregation‐Enhanced‐Emission Polymer Donor Improves the Efficiency of Organic Solar Cells by Suppressing Nonradiative Recombination"为题发表在顶级期刊Angew上。
技术亮点
1. 高发光给体设计：基于扭曲分子构象诱导聚集增强发光，使PINTSO-F薄膜PLQY达到37.3%，为降低非辐射损失奠定基础。
2.界面定位机制：PINTSO-F作为第三组分优先分布于PM6给体与BTP-eC9受体的界面，成为有效的界面修饰剂。
3. 形貌与传输增强：引入PINTSO-F优化了活性层的结晶性和分子堆积，获得了更平衡的电荷传输，从而提升填充因子。
研究意义
1开辟降损新路径：证明了开发高发光给体材料是抑制非辐射电压损失的有效策略，为分子设计提供了新方向。
2揭示界面作用机制：阐明了第三组分在给体-受体界面处的关键作用，为多元体系提供了深刻的机理解释。
3实现性能协同提升：同步实现了高开路电压、高填充因子和高短路电流，突破了性能参数间的权衡限制。
4推动高效OSCs发展：将三元有机太阳能电池的效率推升至20%以上，展示了其巨大的商业化潜力。深入精读
材料基本性质与能量损失分析：
为阐明高性能的物理根源，该研究首先系统表征了材料的基本物性。如图1a-c所示，PINTSO-F在不良溶剂甲醇分数增加时，荧光发射显著增强，表现出独特的聚集增强发光特性，这与传统给体PM6的聚集荧光淬灭行为形成鲜明对比。PINTSO-F薄膜的PLQY高达37.30%（图1e），远高于PM6，这为其在器件中抑制非辐射复合提供了先天优势。能级表征（图1g）显示，PINTSO-F具有更深的HOMO能级（-5.58 eV），这有助于在PM6与BTP-eC9之间形成更优的能级排列，从而提升开路电压。能量损失分析（图2c, d）表明，引入PINTSO-F后，器件的电致发光量子效率提升了三倍以上，直接导致非辐射能量损失从0.225 eV显著降低至0.192 eV，这是开路电压得以提升的核心原因。该部分工作从材料本源出发，将分子的本征发光特性与宏观器件的电压损失直接关联，奠定了全文的逻辑基础。
器件物理与电荷复合动力学：
为深入揭示PINTSO-F如何调控器件内部的物理过程，研究团队进行了一系列深入的器件物理表征。电容谱测试（图2e）显示，三元器件具有最低的态密度，表明PINTSO-F的引入有效减少了活性层中的缺陷，从而抑制了陷阱辅助复合。通过分析器件电流对光强的依赖性（图S13），发现三元器件的指数因子更接近1，证明了其双分子复合得到有效抑制。瞬态光电流测试（图2f）进一步表明，三元器件具有更短的电荷提取时间，说明电荷传输更为顺畅。最关键的是，通过载流子抽取技术对复合系数进行定量分析（图2g, h），发现三元器件在相同载流子密度下具有更长的载流子寿命和更小的双分子复合系数。这些数据共同描绘出一幅清晰的图像：PINTSO-F通过优化界面，创造了一个更"洁净"且传输更高效的体异质结环境，使得光生电荷能够更有效地被收集，而非被复合掉，这是实现高填充因子和高电流密度的关键
活性层形貌与界面分布：
优异的器件性能离不开优化的活性层形貌。通过原子力显微镜（图3a）和光诱导力显微镜（图3b）对膜层形貌进行纳米尺度表征，发现引入PINTSO-F后，三元共混膜形成了更清晰、尺寸更匹配的双连续纤维网络结构，这有利于激子的扩散和电荷的传输。掠入射广角X射线散射技术（图3c-e）被用来研究分子堆积行为，结果显示三元共混膜具有最强的衍射峰强度和最大的相干长度，同时具有最短的π-π堆积距离，这表明PINTSO-F的加入促进了活性层的结晶性，形成了更紧密、更有序的分子堆积，从而提升了电荷迁移率（图2i）。为了解PINTSO-F在共混膜中的空间位置，研究者通过表面能计算了其润湿系数，结果表明PINTSO-F倾向于分布在PM6与BTP-eC9的相界面区域。这种独特的界面定位使其能够直接修饰电荷产生和复合最为关键的D-A界面，是其发挥多重优化作用的先决条件。
超快电荷动力学与性能验证：
为在超快时间尺度上直接观察PINTSO-F对电荷生成过程的影响，研究团队采用了飞秒瞬态吸收光谱。如图5d-i所示，当选择性激发受体BTP-eC9时，在给体PM6的特征吸收区出现了快速的基态漂白信号，证明了空穴从受体到给体的有效转移。通过对该过程进行动力学拟合，发现三元共混膜具有更短的电荷产生时间常数（τ₁和τ₂），表明其激子解离和电荷生成动力学更快。这一结果与近乎100%的界面电荷生成效率计算结果完美吻合。最终，所有这些在材料、形貌和物理过程上的优化，都集成并体现在了顶尖的器件性能上（图2a，表1）。与二元参考器件相比，三元器件在开路电压、短路电流和填充因子三个核心参数上实现了同步提升，最终获得了20.36%的卓越效率，充分证明了该策略的有效性。
结论展望
本研究通过设计具有聚集增强发光特性的高发光聚合物给体PINTSO-F，并将其作为第三组分精准定位至给体-受体界面，成功实现了对有机太阳能电池非辐射复合的有效抑制和电荷动力学的协同优化，最终获得了效率超过20%、非辐射电压损失低至0.192 V的高性能器件。这一创新不仅验证了"高发光特性有助于降低电压损失" 这一核心物理思想在给体材料设计中的可行性，更通过深入的机理研究，揭示了界面工程在多元体系中的关键作用。展望未来，通过对高发光材料的设计、界面行为的精准调控以及与新型受体的搭配，有机太阳能电池有望在效率和电压损失方面取得更大突破，加速其从实验室走向实际应用的进程。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202510/11/50009961.html
