论文概览
有机太阳能电池（OSCs）凭借溶液可加工、柔性轻质等优势成为可再生能源领域的潜力股，但过量能量损失（Eₗₒₛₛ）始终是制约其效率突破的核心瓶颈——当前开路电压（Voc）远低于Shockley-Queisser理论极限，而非辐射复合等能量损耗占比极高。针对这一痛点，山东大学高珂团队联合多所高校设计合成了一种铂配合物基非富勒烯受体（PtHD），通过分子结构调控实现介电常数提升与激子-振动耦合抑制的双重目标。基于D18/PtHD 的二元器件获得0.938V高开路电压，能量损失低至0.525eV；进一步将PtHD作为客体引入D18/L8-BO体系，结合层（LBL）沉积策略优化垂直分布，构建的三元器件实现20.52%的功率转换效率（PCE），认证效率达19.51%，为高效OSCs开发提供了全新分子设计思路。该研究以“Platinum-Complex Acceptor Modulating Dielectric Constant and Exciton-Vibration Coupling for High-Efficiency Organic Solar Cells with Suppressed Energy Loss”为题发表在顶级期刊Advanced Materials上。
技术亮点
1.铂配合物分子设计：PTHD分子兼具高平面性、刚性骨架与Pt配位中心，有效抑制激子-振动耦合，降低重组能与斯托克斯位移。
2.介电常数提升：Pt的高极化性与扩展π体系使PTHD具有更高的分子极化率，将三元活性层介电常数提升至4.85，促进激子解离并抑制缺陷辅助复合。
3.能量损失系统抑制：器件分析显示，PTHD的引入同步降低了ΔE₂（与无序度和重组能相关）和ΔE₃（非辐射复合损失），总Eloss降至0.525 eV。
4. 层层沉积优化形貌：采用LBL工艺精确控制给受体垂直分布，结合PTHD与L8-BO的良好相容性，获得优化的互穿网络形貌，实现高效的激子分离与电荷传输。
研究意义
✅能量损失调控新策略：通过金属配合物受体同时调控介电常数和激子-振动耦合，为降低OSC电压损失提供了明确的分子设计思路。
✅金属有机光伏材料新进展：展示了过渡金属配合物在提升OSCs介电性能、延长激子扩散长度、加速电荷转移方面的独特优势。
✅高效率与低损失兼得：在三元体系中实现>20.5%的效率并保持低能量损失，证明了“材料设计-形貌控制-器件物理”协同优化的可行性。
✅通用性启示：该策略为开发兼具高介电、低重组能的光伏材料提供了普适性设计原则，有望推广至其他有机光电器件。
深度精读
图1PTHD的分子结构与基本性质
图1给出了PtHD与L8-BO的化学结构式，凸显了PTHD以菲咯啉为配体与Pt(II)中心配位的核心特征。紫外-可见吸收光谱显示，无论在溶液还是薄膜中，PTHD的吸收相对L8-BO均发生蓝移，这归因于Pt配位单元的强拉电子效应减弱了分子内电荷转移。表面静电势图与计算结果表明，PTHD的分子中心呈现更强的正电势，且其静态偶极矩高达17.82 D，远高于L8-BO，这有利于界面激子分离。能级排列图显示PTHD具有与L8-BO匹配的HOMO/LUMO能级，为其作为第三组分融入三元体系奠定了基础。该图从分子层面揭示了PTHD实现高效激子解离与低能量损失的内在优势。
图2器件性能与能量损失分析
图中J-V曲线显示，D18/PH1D二元器件获得最高的开路电压Voc（0.938 V），但受限于形貌，效率仅为7.13%。而引入10 wt% PH1D的三元器件（D18/L8-BO:PH1D）在保持高Voc（0.918 V）的同时，Jsc和FF显著提升，最终获得20.52%的冠军效率。对应EQE谱表明，三元器件在300-700 nm宽谱范围内响应均得到增强，印证了Jsc的提升。能量损失分解图定量揭示，PH1D的引入有效降低了与无序度相关的ΔE₂（从0.063 eV降至0.055 eV）及非辐射复合损失ΔE₃（从0.234 eV降至0.222 eV）。通过FTPS-EQE与电致发光谱进一步量化了各损失分量，证明PH1D通过提升介电常数和抑制激子-振动耦合，是实现低能量损失的关键。
图3电荷动力学与传输性能
通过Jph-Veff曲线分析，D18/L8-BO:PTHD器件获得了最高的激子解离概率（98.3%）和电荷收集概率（0.863），表明PTHD的引入显著提升了激子利用与电荷提取效率。瞬态光电压（TPV）测试显示，三元器件载流子寿命延长至4.98 μs，证明非辐射复合被有效抑制。VOC随光强变化曲线的斜率降低，对应理想因子n=1.15，印证了陷阱辅助复合的减弱。Photo-CELIV结果表明三元器件具有更高的有效载流子迁移率（2.40×10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹）。空间电荷限制电流（SCLC）测试进一步证实，三元器件陷阱态密度最低（1.61×10¹⁶ cm⁻³），且载流子迁移率更为平衡。这些数据共同表明，PTHD通过优化电荷生成、传输与收集全过程，为实现高效率器件提供了关键动力学基础。
图4形貌表征
AFM形貌图显示，D18/L8-BO:PtHD三元薄膜表面粗糙度（RMS=0.77 nm）与二元D18/L8-BO薄膜相当，且保持了均匀的纤维状互穿网络，而D18/PtHD二元膜则因PtHD过度结晶而呈现粗糙表面与粗大相分离域。2D GIWAXS图谱及其线扫分析证实，三元薄膜具有更短的π-π堆叠距离（3.63 Å）和更大的晶体相干长度（27.18 Å），表明分子堆积更为紧密有序，有利于电荷传输。XPS分析进一步揭示了PtHD与L8-BO之间存在强相互作用（Pt 4f和Cl 2p结合能发生协同位移），这促进了分子间的紧密堆积，从而实现了对活性层纳米结构的精准调控。
图5激子动力学表征
2D TA图谱与时间分辨光谱显示，在800 nm激发下，D18/L8-BO:PtHD三元薄膜中给体D18在600 nm处的基态漂白信号出现更快，表明空穴从受体向给体的转移过程被加速。动力学拟合进一步证实，三元体系中的激子分离时间（τ₁=0.45 ps）与扩散至界面时间（τ₂=6.89 ps）均短于两个二元体系，说明PtHD的引入有效促进了激子在给受体界面的解离。此外，受体单线态激子信号衰减更快，结合激子扩散长度计算（从17.77 nm提升至20.69 nm），共同表明PtHD能延长激子扩散距离并加速电荷分离，从而降低复合概率，为器件获得高Jsc和FF提供了关键的动力学基础。
文献来源
Huajun Xu, Xinyue Jiang, Ke Gao*, et al. Platinum-Complex Acceptor Modulating Dielectric Constant and Exciton-Vibration Coupling for High-Efficiency Organic Solar Cells with Suppressed Energy Loss. Adv. Mater. 2025, e20639.
https://doi.org/10.1002/adma.202520639.
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