有机光伏材料的相对介电常数通常在3-4之间，以库伦电势估算的激子结合能远大于室温热能。为满足有机太阳能电池中激子到光电荷的高效转化需求，有机光伏活性层必需包含电子给体和受体两种材料；激子借助异质结处的电势差解离生成光电荷。

  近年来随着非富勒烯受体材料的加快速度进行发展，异质结光生电荷，这一持续了三十多年的有机太阳能电池工作机理的基本认知迎来了革新。科学家们发现以Y6为代表的高效受体材料中存在分子间离域激子；聚集态极化作用可大幅度降低受体中激子结合能至室温热能，进而在室温下发生受体自生光电荷现象。这一新型的体相光生电荷路径与传统的异质结光生电荷路径存在非常明显差异。关于有机太阳能电池中非富勒烯受体的自生光电荷效应，有两个问题迫切地需要回答：

  （1）体相自生光电荷是否能提升高效器件中的激子利用率，并带来光电流的增长。

  （2）当前高效器件的内量子效率已接近100%，新的光生电荷路径在有机光伏中是否还有实际意义。

  为了定量分析体相光生电荷对光电流的贡献，我们分别定义了三种光电流：由光学转移矩阵计算得到的理论最大光电流（Jmax），反向偏压下光电荷充分收集的饱和光电流（Jsat）和器件短路电流（JSC）。其中，Jmax与Jsat间的差值体现光电流产生过程中的激子损失（∆J1），而Jsat与JSC间的差值则代表光电荷损失（∆J2）。∆J1由活性层光吸收决定，∆J2包含异质结和体相两种光生电荷路径下的电流损失（图1a）。我们选取三种具有相同共轭骨架的受体材料N4、L8-BO和BTP-eC9，其自生光电荷产生能力依次增加。当与给体材料D18结合时，我们观察到三种材料中光电流的损失比例并不相同。由数值比较发现，受体的自生光电荷效应可减少激子损失，但会引起光电流损失的增加（图1b）。自生光电荷路径反而有几率会成为新的电荷复合机制。

  图1a) 有机太阳能电池光电流解析；b) 不同自生光电荷产率下器件光电流损失分析；c) 受体形貌参数与自生光电荷参数关联度分析；d) 两步优化后器件光电流损失分析。

  为优化体相自生光电荷利用率，我们利用Pearson相关性分析提取了受体形貌参数与自生光电荷相关参数间的数值关系（图1c）。研究之后发现结晶性增加，特别是层状堆积方向结晶尺寸的增大有利于提升受体的自生光电荷产率。结合之前的掺杂研究成果，我们提出了高效有机太阳能电池自生光电荷利用率的形貌调控和电学掺杂两步提升策略；前者旨在增加自生光电荷产率，后者旨在降低自生光电荷复合。借助这一优化策略，D18:BTP-eC9中的激子损失比例由7.0%降至2.8%，光电荷损失由7.4%降至2.0%；器件的光电转换效率（PCE）也从16.9%提升至18.5%（图1d）。以上研究回答了自生光电荷效应的第一个问题，即可通过优化受体中自生光电荷贡献实现高效器件中光电流和光伏效率的增长。

  然而，正如问题二所述，当前高效器件的内量子效率已接近100%，这一新型光生电荷机制对有机太阳能电池的发展有没有实际意义呢？回答这一问题必须要结合有机太阳能电池未来的应用场景。有机光伏活性层的宽吸收范围是由给、受体材料共同支撑的；其中，给体材料的吸收响应位于人眼敏感的可见光区域，受体材料的吸收响应则拓展至近红外区域。降低活性层中的给体含量即可提升器件的平均可见光透过率，从而使器件具有更加好的中性色透过性，满足建筑光伏等领域的能源窗、光伏屋顶应用需求。然而从器件方面出发，给体含量下降会导致给、受体异质结面积减少，受体相区尺寸增大；在传统异质结光生电荷理论下，这无疑会带来器件光生电荷产率的下降。理论上讲，受体材料的体相光生电荷不依赖于激子扩散距离和异质结面积，能更好地满足给体稀释半透明有机太阳能电池的特殊形貌。

  图2a) 逐渐降低薄膜中D18含量后，D18:BTP-eC9薄膜透光率变化；b) 自生光电荷利用优化前后半透明光伏器件的J-V曲线；c) 自生光电荷利用优化前后半透明光伏器件的EQE曲线；d) 自生光电荷利用优化前后半透明光伏器件的暗态储存稳定性变化。

  在这一思想指导下，我们逐步降低已确认具有自生光电荷效应的高效D18:BTP-eC9器件中D18的含量，此时活性层的透光性逐步上升（图2a），而器件的光电转换效率逐渐下降。依据薄膜可见光透过率和器件光电转换效率乘积最大值，我们选定D18和BTP-eC9的质量比为1:3；经光学模拟，分别确定两层透明电极的厚度。借助上述发展的自生光电荷两步优化法，半透明器件的光电转换效率由9.6%提升至11.3%，器件光利用率由3.2%提升至3.8%（图2b）。从外量子效率（EQE）谱图显而易见，短路电流提升源于受体部分响应增加；这一现象符合我们借助受体自生光电荷利用率提升来优化半透明光伏器件性能的理论预期（图2c）。有必要注意一下的是优化后半透明器件的暗态存储稳定性也有所提升（图2d）。

  本研究阐述了自生光电荷效应对器件性能的双面作用，并据此发展出了基于新型光生电荷机制的两步器件优化策略；本研究还展示了这一效应对开发半透明有机太阳能电池的重要价值，提出以光生电荷路径变迁弥补不利活性层形貌负面影响的新思路。

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