近年来通过新材料的设计与合成，有机太阳电池的光伏效率得到了快速提升。然而，二元器件仍存在形貌调控手段受限的不足，从而限制了器件效率的进一步提高，三元器件能够增加形貌调控手段，是提高器件光伏性能的有效策略。大多数报道的三元器件工作中，光伏性能参数提升一般表现在开路电压和短路电流密度上，但是填充因子（Fill Factor, FF）大都是呈现降低的趋势。其中主要原因是因为第三组份的加入，原有二元体系的最佳形貌受到第三组份影响发生改变甚至破坏，增大了激子复合和载流子双分子复合几率，造成FF的降低。FF反映了光生载流子从电池中被提取出来的难易程度。活性层形貌，给受体相分离尺寸，相纯度以及电极对电荷的提取能力等都是影响FF的原因。所以，在三元体系中，实现FF的提高是一大挑战。另外，在现有的三元有机体系中，第三组份的比例往往都比较敏感，这就造成了三元器件重复性不高，不利于今后产业化应用。
浙江大学高分子系陈红征教授研究团队和香港理工大学李刚教授合作，针对上述问题进行了有益探索，相关研究结果以题为“Combining Fused-Ring and Unfused-Core Electron Acceptors Enables Efficient Ternary Organic Solar Cells with Enhanced Fill Factor and Broad Compositional Tolerance”的论文发表在Solar RRL上。她们选取聚合物给体PBDB-TF和非稠核体系电子受体HC-PCIC作为二元参比，引入稠环体系受体材料IT-M作为第三组分，构筑了三元有机太阳电池。HC-PCIC为较强结晶性的非稠核受体，基于PBDB-TF:HC-PCIC二元体系的太阳电池虽然能够得到高开路电压，较高的FF，但是其相分离尺寸偏大，从而存在一定程度的激子复合，造成短路电流密度表现不充分，使得FF存在一定的提升空间。IT-M作为一种稠环体系受体材料，结晶性相对较弱，具有良好的给受体兼容性，与强结晶性的HC-PCIC共混可以起到形貌调控作用，以期提高FF，且吸光性比富勒烯受体好，可以获得短路电流密度增益，最终实现三元器件光伏性能的提升。在IT-M添加量仅为5%的时候，便实现了最佳三元器件效率12.34%。当IT-M添加量为20%的时候，FF从71%提升到75%以上。更令人感到惊喜的是，IT-M在受体中的比例增大到50%时，三元器件光伏效率仍能保持在11%以上的高水平，表现出成分比例不敏感现象。通过不同光强下的J-V性能测试，她们发现三元体系中单分子复合与双分子复合程度均得到降低，电荷利用率提高；通过AFM和GISAXS形貌表征，她们发现，随着IT-M的加入，相分离尺寸得到有效改善，这也是FF提高的原因。该工作通过结合稠环和非稠核受体材料的特点，进行形貌调控，实现三元器件的FF提升，协同增大短路电流密度和开路电压，最终实现三元有机太阳电池光电转换效率的提高。此外，第三组份在0.25-50%的大范围内添加，都实现了器件效率的提高，对于设计制备重复性高的三元体系意义重大。相关论文发表在Solar RRL (DOI:10.1002/solr.201900317)上。论文第一作者为占玲玲，香港中文大学路新慧教授在形貌表征方面提供了帮助。
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