研究亮點：
1. 厘清了OPV中電荷復合形成三線態激子的地位。
2. 發展了一種雜化策略，可以有效抑制非輻射損耗路徑，為有機太陽能電池效率提高到20%以上帶來了新的希望。
自1958年第一個有機太陽能電池誕生以來，如何提高其光電轉換效率是始終困擾科學家的關鍵難題。近十年來，雖然有機太陽能電池的效率已經從5%提高的18%左右，但是，和其他各種光伏電池技術中，有機光伏電池的效率低下依然是一個短板。
從基礎研究的角度來講，一個根本的原因就在于有機材料的電荷遷移率低，導致活性層厚度的限制，光吸收效率不足。2018年，南開大學陳永勝、萬相見團隊和國家納米科學中心丁黎明團隊合作，在Science報道了一種溶液制程的兩端疊層有機光伏電池，以17.29%的認證效率刷新了有機太陽能電池的紀錄！
然而，有機太陽能電池的效率仍然低于無機太陽能電池，后者的功率轉換效率通常超過20%。這種差異的一個關鍵原因是有機太陽能電池相對于其光學帶隙具有較低的開路電壓，這是由于非輻射復合 所導致。為了使有機太陽能電池在效率方面與無機太陽能電池競爭，必須確定和抑制非輻射損耗路徑。
有鑒于此，劍橋大學Richard H. Friend，Alexander J. Gillett, 加州大學圣巴巴拉分校Thuc-Quyen Nguyen以及蒙斯埃諾大學David Beljonne 等人對此進行了深入研究，他們發展了一種雜化策略，可以有效抑制非輻射損耗路徑，為有機太陽能電池效率提高到20%以上提供了新的思路。
給整個研究領域帶來希望，或許這就是為什么，這項研究能登上Nature的原因！
圖1. 三線態形成路徑以及有機太陽能電池材料
研究表明，在大多數使用非富勒烯受體 (NFA) 的有機太陽能電池中，開路條件下的大部分電荷復合是通過形成非發射 NFA 三重態激子進行的；在基準PM6:Y6共混物中，該比例達到 90%，將開路電壓降低 60 mV。
圖2. 三線態形成的譜學研究
通過設計NFA三重態激子和自旋-三重態電荷轉移激子之間的大量雜化來防止通過這種非輻射路徑進行復合。建模表明，從自旋三線態電荷轉移激子到分子三線態激子的反向電荷轉移率可能會降低一個數量級，從而能夠重新離解自旋三線態電荷轉移激子。
圖3. 雜化的作用
研究人員展示了 NFA 系統，其中三重態激子的形成受到抑制。因此，這項工作為具有20%或更高功率轉換效率的有機太陽能電池提供了設計途徑。
參考文獻：
Gillett, A.J., Privitera, A., Dilmurat, R. et al. The role of charge recombination to triplet excitons in organic solar cells. Nature 597, 666–671 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03840-5
