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有機(jī)半導(dǎo)體材料在溶液中預(yù)聚集直接影響后續(xù)成膜及光電性能。對于溶液中有機(jī)半導(dǎo)體聚集行為的直接觀測，有助于解析這一類超越分子層次的特殊構(gòu)效關(guān)系。冷凍電鏡可以將溶液態(tài)的分子迅速冷凍定型，由此可以直觀揭示有機(jī)分子在溶液中的聚集行為。近期，中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院（以下簡稱重慶研究院）研究人員與沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)的研究人員合作，通過冷凍電鏡對有機(jī)光伏材料分子的溶液聚集行為進(jìn)行了研究，揭示了溶液聚集態(tài)對成膜的影響，指導(dǎo)獲得高效率的有機(jī)光伏電池，相關(guān)工作以“Insights into Pre-aggregation Control of Y-series Non-fullerene Acceptors in Liquid State for Highly Efficient Binary Organic Solar Cells” 為題發(fā)表于《先進(jìn)材料》(Adv. Mater. 2024, 10.1002/adma.202402833)。

光電轉(zhuǎn)化效率是衡量光伏電池性能的第一指標(biāo)。近年來，有機(jī)光伏電池的效率通過不斷的材料創(chuàng)新和器件優(yōu)化取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。但是相較于晶硅光伏電池、鈣鈦礦光伏電池等，有機(jī)光伏電池的效率還存在差距。為提升有機(jī)光伏電池效率，需要降低光伏電池的能量損失同時(shí)改善有機(jī)薄膜形貌，以此獲得更高的開路電壓。在此方面，通過源頭上材料端的合理設(shè)計(jì)，誘導(dǎo)活性層更優(yōu)的相形貌分離，進(jìn)而降低能量損失，以此提升光伏電池效率是最優(yōu)方案，也是最有挑戰(zhàn)的策略之一。重慶研究院與香港理工大學(xué)等合作，通過合理設(shè)計(jì)篩選材料分子片段，構(gòu)建高效的有機(jī)光伏材料分子，實(shí)現(xiàn)給受體材料結(jié)晶性、互溶性、能級、吸收光譜、相分離等多維度匹配，獲得了光電轉(zhuǎn)化效率19.9%的有機(jī)光伏電池，相關(guān)工作以“Rational molecular and device design enables organic solar cells approaching 20% efficiency”為題發(fā)表于《自然通訊》(Nature Commun. 2024, 15, 1830)。

晶界是影響鈣鈦礦、碲化鎘、銅銦鎵硒等薄膜光伏性能的重要因素。晶體的長程有序性在晶界處中斷，后續(xù)加工過程中晶界與晶粒摻雜不均，使得晶界能從大塊材料中捕獲載流子，產(chǎn)生局部電荷、局域能態(tài)。局域能態(tài)造成能帶彎曲，最終晶界表現(xiàn)出與晶粒內(nèi)部截然不同的電學(xué)行為，影響多晶薄膜光電轉(zhuǎn)換效率。一方面晶界作為重組位點(diǎn)捕獲載流子，另一方面晶界與晶粒之間的能帶彎曲，有益于載流子的分離，晶界對薄膜光伏光電轉(zhuǎn)化效率的有益性還是有害性仍存在爭論。重慶研究院研究人員從載流子動(dòng)力學(xué)的角度，介紹晶界電學(xué)行為從理論推導(dǎo)到實(shí)驗(yàn)觀測發(fā)展歷程，并對晶界電學(xué)行為進(jìn)行分類，闡述了載流子在偏壓，光照等外加條件情況下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，及晶界能帶變化，揭示了通過鈍化等處理手段調(diào)整晶界元素等對薄膜光伏電池的影響。相關(guān)工作以“The Electrical Behaviors of Grain Boundaries in Polycrystalline Optoelectronic Materials”為題發(fā)表于《先進(jìn)材料》 (Adv. Mater. 2024, 36, 2304855)。

上述工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院、重慶市項(xiàng)目支持。