三元有機太陽能電池的模型和機理（百測網(wǎng)）
三元有機太陽能電池的
模型和機理
在三元有機太陽能電池(TOSCs)中，三種不同的成分混合在一起形成光活性層，
為提高功率轉(zhuǎn)換效率提供了機會，
例如，通過拓寬吸收范圍，改善混合形態(tài)或調(diào)節(jié)激子分裂和電荷提取。
由于這些可能性，三元系統(tǒng)是性能最好的OSCs之一，
并將在有機光伏的未來發(fā)揮至關(guān)重要的作用。
由于三種不同成分的相互作用，TOSCs中的機制是復雜的。
目前存在用于這些機制的多種模型，
這些模型的不同之處主要在于對開路電壓的成分依賴性的描述。
然而，這些模型沒有被精確地定義，它們基于狹隘的假設(shè)，并且它們經(jīng)常相互矛盾。
這篇綜述描述了現(xiàn)有的模型和概念，強調(diào)了它們的不一致性，
并總結(jié)了關(guān)于TOSCs的電子和形態(tài)學特性的最新結(jié)果。
隨后，根據(jù)這些新的見解重新審視傳統(tǒng)模型，
目的是指出現(xiàn)有的差距，并為挑戰(zhàn)舊的概念提供刺激。
?
級聯(lián)模型的關(guān)鍵方面在于，三元混合物中的第三組分僅作為吸收敏化劑，
通過轉(zhuǎn)移電荷或能量而不參與電荷滲透，
而其他兩種組分(供體和受體)進行空穴和電子向電極的傳輸。
這個概念可以在不同的能量和形態(tài)條件下實現(xiàn)。
最常描述的情況是敏化劑引入中間HOMO和LUMO能級，
導致通過所有三個組分的能量級聯(lián)(圖1a)。
在這種情況下，敏化劑分子必須位于供體和受體疇的界面，
以確保無陷阱電荷傳輸(圖1b)。另一種可能性涉及能量從敏化劑轉(zhuǎn)移到供體或受體。
在這種情況下，敏化劑也可以嵌入供體(或受體)域中，
并且其LUMO(或HOMO)不一定要級聯(lián)排列，
也可以高于供體LUMO(或低于受體HOMO)。
級聯(lián)模型的物理上可測量的結(jié)果是VOC理論上應該是恒定值，
由供體和受主的空穴和電子準費米能級的能量差決定，
并且與三元混合物的組成無關(guān)(圖1c)。
同時，第三組分的額外吸收應該轉(zhuǎn)化為相應增加的JSC。
級聯(lián)CT機制的想法是在2010年引入的，
當時將具有中間HOMO和LUMO的小帶隙聚合物作為敏化劑添加到二元主體系統(tǒng)中，
以拓寬吸收。
通過光誘導吸收，證明了敏化劑將一個正極化子轉(zhuǎn)移給主施主，將一個電子轉(zhuǎn)移給主受主，
從而進行電荷傳輸。類似的發(fā)現(xiàn)反復證實了級聯(lián)模型的有效性。
人們很快意識到，
第三個組成部分——盡管對級聯(lián)CT具有適當?shù)哪芗壟帕小部梢詤⑴c能量轉(zhuǎn)移，
并且這兩個過程經(jīng)常在級聯(lián)系統(tǒng)中競爭。TOSCs中能量傳遞的細節(jié)可在其他地方查閱。?
遵循級聯(lián)模型的三元體系優(yōu)于二元體系，原因有幾個。
首先，與二元主體系統(tǒng)相比，
第三組分的敏化作用具有更小的帶隙或更大的帶隙，
從而拓寬了吸收范圍并改善了光收集。第二，
級聯(lián)敏化劑的添加可以通過抑制單分子和雙分子復合并增加電荷載流子遷移率來改善PCE。
吸收延伸的策略已經(jīng)被成功地使用，特別是對于含富勒烯的系統(tǒng)；
然而，這種方法是否增加了具有優(yōu)異吸收能力的新型非富勒烯受體(NFA)的價值是有疑問的。事實上，理論計算表明，對于最先進的吸收劑，
三元方法只有在積極影響傳輸或復合動力學，從而增加填充因子時才是有益的。?
關(guān)于三元級聯(lián)系統(tǒng)中的確切機制，
問題出現(xiàn)在CTs發(fā)生在哪個組分之間，
以及哪個CT狀態(tài)因此被占據(jù)。
理論上，三個CT狀態(tài)是可訪問的，每個對應于三個組件中的兩個之間的CT(圖1d)。
然而，在兩個供體與一個受體(或兩個受體與一個供體)的典型組合中，
兩個供體(或兩個受體)之間的CT態(tài)在能量上是不利的，
因此通常只是弱占據(jù)。盡管如此，已經(jīng)表明在特定的能量和結(jié)構(gòu)條件下，
這種CT也可能發(fā)生，因此所有三種CT狀態(tài)都可能被占據(jù)。
?
與概念上更簡單的級聯(lián)過程相反，在級聯(lián)過程中，
VOC必然被固定在最小的HOMOD-LUMOA偏移上，
合金模型提供了一個框架來理解具有成分相關(guān)VOC的系統(tǒng)。
這種系統(tǒng)使OSC的效率接近19%。
當發(fā)現(xiàn)含有一個聚合物供體和兩個富勒烯受體的系統(tǒng)的VOC隨著兩個受體的比例而調(diào)整時，
該模型實現(xiàn)了第一個重要突破。
為了解釋這種意想不到的可調(diào)性，2013年引入了合金模型。
該模型提出了一種有機合金，
或協(xié)同成分的緊密混合物(兩個施主D1和D2或兩個受主A1和A2)。
類似于無機半導體合金，其導帶和價帶能量隨組成而變化，
有機合金具有依賴于組成的性質(zhì)。
HOMO、LUMO和CT態(tài)能量取協(xié)同成分的加權(quán)平均值(圖2a，b)。
協(xié)同組分的激子特征(即吸收光譜)被清楚地保留，
這可能是由于與CT態(tài)相比激子的更局域化的性質(zhì)。
激子和CT特征的這種對比允許在整個吸收范圍內(nèi)收集光子(增強JSC)，
而VOC(與CT態(tài)能量相關(guān))是通常被描述為具有近似線性成分依賴性的成分的加權(quán)平均值
?(圖2c)。
類似平行的模型假設(shè)三元電池由兩個不同的二元子電池組成
(D1:A和D2:A用于供體第三組分，D:A1和D:A2用于受體第三組分)，
它們獨立工作并且沒有電連接(圖3a)。
這三種成分形成了三個獨立的電荷傳輸通道，并且在形態(tài)上是分離的(圖3b)。
激子分裂可以發(fā)生在兩個不同的界面，
導致兩種可能的CT態(tài)，并且在理想化的情況下，
在兩個施主或兩個受主之間沒有能量或CT發(fā)生。
類并聯(lián)模型中的VOC是兩個子電池的加權(quán)平均值(圖3c)，JSC對應于兩個子電池的總和。
目前提出的模型本身已經(jīng)有一些不一致和缺陷，缺乏精確的定義和相互之間的區(qū)別。
隨著二元和三元OSC機制的最新發(fā)現(xiàn)，模型的某些方面已經(jīng)被超越或否定。
一個主要問題是，除了四極桿方法，
所有現(xiàn)有的模型都假設(shè)原始材料的特性在混合物中得到保留，
因此忽略了混合時靜電效應或無序的強烈影響。
此外，在除狀態(tài)填充模型之外的所有方法中，CT狀態(tài)能量被認為是一個離散值，
而不是由一個DOS的變化的占用來描述。
然而，最大的問題是模型對CT狀態(tài)的強烈關(guān)注，
尤其是在級聯(lián)、合金和類并聯(lián)模型的情況下。CT狀態(tài)被認為是靜態(tài)的，
并與VOC直接相關(guān)，而來自電荷分離、復合和傳輸?shù)乃行急缓雎浴?/strong>
然而，較新的發(fā)現(xiàn)表明，CT態(tài)實際上與自由電荷載流子處于動態(tài)平衡，
實際上與單重激發(fā)態(tài)無關(guān)，并由該平衡的動力學決定。
因此，這一決定性的方面并沒有體現(xiàn)在所有現(xiàn)有的TOSC機制的描述中。
為了更深刻地理解TOSCs，研究必須遠離現(xiàn)有的模型，回到更深入的機理研究。
最具挑戰(zhàn)性的任務之一是破譯三元共混物形態(tài)及其對發(fā)生機制的影響。
要實現(xiàn)這一點，需要更先進的分析方法。
此外，必須發(fā)展更多的理論方法來描述結(jié)構(gòu)的相互作用。
然而，因為在可預見的將來，
無論是分析方法還是理論方法都不能提供對形態(tài)學細節(jié)的完整理解，
所以機理研究必須在某種程度上脫離形態(tài)學。
相反，應該進行更多的研究，系統(tǒng)地改變?nèi)旌衔锏某煞趾徒M成，
并能夠建立分子設(shè)計與太陽能電池性能和性質(zhì)之間的關(guān)系。
除了對新系統(tǒng)的持續(xù)研究之外，
從已經(jīng)報道的TOSCs中收集數(shù)據(jù)
并在一項研究中對它們進行系統(tǒng)比較可能有助于回答許多未解決的問題。?
另一個需要更多研究的基本方面，
即異質(zhì)有機材料中的電荷傳輸以及熱弛豫和費米能級位置如何取決于兩種成分的混合。
關(guān)于TOSCs，
研究人員可能需要擺脫三種材料組合的所有成分的簡單和全面模型的理想狀態(tài)，
而是面對不同機制和效應同時存在或平穩(wěn)過渡的可能性。
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