而在近期一項(xiàng)研究中，他的課題組和合作者發(fā)展了一種有別于 BHJ 的活性層結(jié)構(gòu)，即在大量的受體中摻入極少量給體 (≤10 wt%)，也就是“準(zhǔn)同質(zhì)結(jié) (QHJ，Quasi-Homojunction)”。

研究發(fā)現(xiàn)，基于 PTB7-Th:Y6 的有機(jī)太陽(yáng)能電池，當(dāng)給體/受體的質(zhì)量比為 1:8 或 1:20 時(shí)，其效率分別是最優(yōu) BHJ 器件效率的 95% 或 64%。

另外，QHJ 器件的形貌穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性優(yōu)于 BHJ 器件。而基于其他給體或受體的 QHJ 器件效率，會(huì)隨著給體含量減少而呈現(xiàn)顯著下降。

通過(guò)超快瞬態(tài)吸收、電流感應(yīng)原子力顯微鏡等器件物理和光物理的分析、以及軟 X 射線等形貌表征，該團(tuán)隊(duì)揭示了高效 QHJ 太陽(yáng)能電池的工作機(jī)理。

在經(jīng)典 BHJ 有機(jī)太陽(yáng)能電池中，激子在給體/受體界面解離，生成的電子/空穴通過(guò)受體/給體相傳輸，直到被電極收集。

在基于 PTB7:Y6 的 QHJ 器件中，他們觀察到很大一部分自由電荷是在 Y6 相中本征產(chǎn)生的，而不是在給體/受體界面。

Y6 還起到了雙極性電荷輸運(yùn)通道的作用，除了傳輸電子，在極少量給體的情況下還可實(shí)現(xiàn)高效的空穴輸運(yùn)。

少量 PTB7-Th 的主要作用是減少電荷復(fù)合，這可能是通過(guò)增強(qiáng) Y6 內(nèi)部的四極場(chǎng)來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)的，而不是它在傳統(tǒng) BHJ 器件中所起的光吸收、激子分離和空穴傳輸?shù)茸饔谩?br />
課題組還提出，高效 QHJ 器件應(yīng)滿足以下基本要求：

其一，主要成分為高效稠環(huán)電子受體材料，其應(yīng)具有：寬而強(qiáng)的可見(jiàn)和近紅外光吸收、高效的雙極性電荷輸運(yùn)、以及光照下能自發(fā)生成載流子等性質(zhì)；

其二，次要組分必須是合適的給體材料，其能級(jí)與主組分匹配，以獲得較高的開(kāi)路電壓；

其三，主組分可以形成大而純的相區(qū)，這有利于電荷輸運(yùn)，以及減少載流子復(fù)合，在受體相內(nèi)可通過(guò)四極場(chǎng)和電荷分離增強(qiáng)能帶彎曲。

可以說(shuō)，此項(xiàng)工作為有機(jī)太陽(yáng)能電池提供了一種有別于經(jīng)典 BHJ 結(jié)構(gòu)的新思路。

在這種結(jié)構(gòu)中，可以通過(guò)提高本征電荷的產(chǎn)生、以及減少電荷復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率，而非僅僅依賴于給體/受體界面上的激子解離。



圖| BHJ (a) 和 QHJ (b) 有機(jī)太陽(yáng)能電池的基本工作機(jī)理（來(lái)源）
圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Materials）

青島大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王逸凡副教授是第一作者，新西蘭惠靈頓維多利亞大學(xué)化學(xué)與物理科學(xué)學(xué)院邁克爾·B·普萊斯（Michael B. Price）博士、以及占肖衛(wèi)教授擔(dān)任共同通訊作者。

其中一位審稿人認(rèn)為：“這項(xiàng)工作可能為經(jīng)典 BHJ 結(jié)構(gòu)之外的新型有機(jī)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)打開(kāi)一扇門，具有很高的概念新穎性和重要性�！�

據(jù)介紹，由于 QHJ 中給體含量極少，受體占主要部分。而稠環(huán)電子受體在可見(jiàn)光區(qū)吸收較少，其主要吸收波段在近紅外區(qū)，因而該成果可用于制備半透明太陽(yáng)能電池及近紅外光電探測(cè)器。

研究要從 2019 年說(shuō)起，當(dāng)時(shí)課題組偶然發(fā)現(xiàn)基于聚合物給體 PTB7-Th 和稠環(huán)電子受體 FOIC 的有機(jī)太陽(yáng)能電池，在給體含量極少時(shí)，器件仍能獲得較高的效率。

這種結(jié)果出乎他們的預(yù)料，且使用已知的有機(jī)太陽(yáng)能電池理論很難進(jìn)行解釋，他們對(duì)此很感興趣并開(kāi)始繼續(xù)探討。

下一階段則是系統(tǒng)拓展。研究團(tuán)隊(duì)想知道這種有趣的現(xiàn)象，是否在稠環(huán)電子受體中普遍存在。

因此，他們系統(tǒng)性地研究了不同稠環(huán)電子受體對(duì)基于 PTB7-Th 的 QHJ 器件的影響。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中使用的多種稠環(huán)電子受體，均能產(chǎn)生類似于 FOIC 的結(jié)果。其中，隨著給體含量的降低，Y6 器件效率的下降最為緩慢。

“我們繼續(xù)問(wèn)自己，這種現(xiàn)象是稠環(huán)電子受體的本征屬性、還是說(shuō)也受到給體材料影響？”占肖衛(wèi)說(shuō)。

接著，他們開(kāi)始研究不同聚合物給體材料對(duì)于 Y6 器件的影響，隨后發(fā)現(xiàn)基于其他給體的 QHJ 器件，在給體含量減少時(shí)，效率下降均比 PTB7-Th 快。

研究團(tuán)隊(duì)也很好奇 PTB7-Th: Y6 組合為何如此特別，于是便進(jìn)入第三階段——機(jī)理探究。

期間，他們與東華大學(xué)先進(jìn)低維材料中心研究員唐正課題組合作，研究了器件的能量損失。

又與新西蘭惠靈頓維多利亞大學(xué)化學(xué)與物理科學(xué)學(xué)院教授賈斯汀·霍奇基斯（Justin Hodgkiss）課題組合作，通過(guò)超快瞬態(tài)吸收光譜，研究了激子分離。

后又與美國(guó)雪城大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系教授 Quinn Qiao 課題組合作，通過(guò)電流感應(yīng)原子力顯微鏡研究了電荷輸運(yùn)。

接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)又與西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授馬偉課題組合作，研究了薄膜形貌，進(jìn)一步解釋了電荷輸運(yùn)的機(jī)理。

最終，合作團(tuán)隊(duì)一起揭示了高效 QHJ 器件的工作機(jī)制，并解釋了基于 PTB7:Y6 的 QHJ 器件效率高于基于 PM6:Y6 的 QHJ 器件的原因。

占肖衛(wèi)表示，研究中最難忘的是發(fā)現(xiàn)異�，F(xiàn)象的過(guò)程。他說(shuō)：“最初，我們?cè)诹硗庖豁?xiàng)研究中，將 PTB7-Th:FOIC 比例從 1:1 調(diào)節(jié)到 1:4，但是器件效率并沒(méi)有降低。因而突發(fā)奇想能不能再降低給體含量試試，于是就降到 1:20，結(jié)果就發(fā)現(xiàn)了令人驚訝的現(xiàn)象。”

可以說(shuō)，本項(xiàng)研究純屬意外發(fā)現(xiàn)。由此，占肖衛(wèi)感慨科學(xué)研究不僅要勤于思考、還要善于觀察。有時(shí)，研究一些異�，F(xiàn)象或可打開(kāi)新的思路。

下一步，他們計(jì)劃篩選聚合物給體和稠環(huán)電子受體組合，進(jìn)一步提高 QHJ 器件的效率。另外，打算把 QHJ 用于半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池以及近紅外光電探測(cè)器。