科學家們最近調整了三元有機太陽能電池（TOSC）的材料，使其效率達到了傳統太陽能電池的水平。相關成果最近發表在《先進材料》雜誌上。這項研究由中國科學院青島生物能源與生物過程技術研究所（QIBEBT）的研究人員完成。

研究人員通過引入”客體”成分，提高了三元有機太陽能電池的效率。這種改性可改善太陽能電池對陽光的吸收，優化太陽能電池的運行。通過對這種客體成分進行戰略性放置和改性，他們實現了超過19% 的功率轉換效率提升。

有機與無機太陽能電池

有機光伏太陽能電池（OSC）是一種使用有機材料（通常由小分子或聚合物組成）將太陽光轉化為電能的太陽能電池，有別於使用晶體矽或其他無機材料的傳統無機太陽能電池。

開放式太陽能電池的主要優點之一是靈活輕便。利用噴墨打印等基於溶液的工藝，它們可以廉價地製成柔性捲筒而非剛性面板，因此適合傳感器、便攜式充電器或可穿戴電子設備等多種應用。OSC 還可以設計成半透明或各種顏色，從而可以美觀地集成到建築物、窗戶或其他結構中。

不過，與無機太陽能電池相比，開放式晶體管的功率轉換效率（PCE）較低。TOSC在一定程度上改變了這一狀況。傳統的二元有機太陽能電池由供體材料和受體材料組成，與之不同的是，TOSC 包含額外的第三種成分，通常稱為”客體”。引入這種客體成分是為了優化太陽能電池運行的各個方面，從調整電池的內部能量流到改進電池如何將光能轉化為電能。

三元組份活性層中嵌入的主/客體”合金”聚集說明。資料來源：李永海

客體”成分的作用

對於提高PCE 尤為重要的是，客體成分還可以拓寬可吸收光的光譜。通過選擇一種能在供體或受體未覆蓋的範圍內吸收光的客體材料，可以提高電池對陽光的整體吸收率。同時，還能很好地調整混合薄膜的形態，使其能夠進行激子解離、電荷生成和傳輸。

鑑於客體成分可以發揮多種不同的功能，其在太陽能電池’三明治’或矩陣中的具體位置可以從根本上改變性能。該研究的合著者李永海說：”根據其位置的不同，客體元件既可以以閃電般的速度傳輸能量，也可以幫助捕捉更多的陽光。”

現有三種不同位置的可能性：嵌入供體材料，嵌入受體材料，或以某種方式分散在供體和受體界面之間，形成混合的合金狀結構（聚集體）。但到目前為止，人們還很少關注客體成分的位置問題。

實驗細節和結果

在研究中，研究人員在TOSC 中使用了一種名為LA1 的客體成分（與其他客體成分材料的結晶度不同）。LA1 是一種小分子受體，研究人員用苯基烷基側鏈對其進行了修飾–苯基烷基側鍊是一種官能團（分子中原子的集合，具有自身的一系列特性），常用於設計用於光伏設備的有機材料。用苯基烷基側鏈對LA1 進行改性，在保持令人滿意的兼容性的同時，改善了其結晶度和排列，從而提高了其在TOSC 中的性能。

此外，研究人員還通過對與主成分相互作用的各種條件（包括主/客體相容性、表面能、結晶動力學和分子間相互作用）進行調控，來調節客體成分的分佈。通過這種方法，他們在大多數客體分子中發現了類似合金的聚集體，這些聚集體也滲透並分散到宿主分子中。

令人印象深刻的是，這些嵌入式主/客”合金”的結晶尺寸可以很容易地進行微調，以改善電荷傳輸和抑制電荷重組。因此，研究人員最初能夠實現15% 以上的PCE 增效，然後通過將客體成分與作為主成分的Y6 系列受體相結合，他們實現了19% 以上的更大增效。

研究人員認為，他們已經取得了相當大的實驗成功，但這些增益的驅動力在理論上仍然不太清楚。展望未來，研究人員希望能更好地闡明這些基本機制。