有机太阳电池技术是一种具有巨大研究前景的绿色科技手段，可以有效地将光能转换为电能。由于它们具有重量轻，制造成本低，可柔性制备，可印制为彩色模块，半透明，可大面积制备等优点，在科学界引起了广泛的关注。当前，有机太阳电池（OSC）的能量转换效率（PCE）已经突破了18％，快速且有效的电荷分离是实现高效OSC的必要条件。已经可以确定OSC中的电荷转移是通过从给体到受体的光致电子转移（PET）和从受体到给体的光致空穴转移（PHT）产生的。具体而言，PET和PHT的效率由能级驱动力确定，而该驱动力由各自的能级决定。

从之前的研究成果中可以发现归因于高效的非富勒烯受体的横空出世，已经有一些研究表明，当HOMO偏移小于0.1 eV时，OPV依然能够实现有效的电荷分离，但大部分是基于宽带隙聚合物 PTQ10体系，然而几乎没有文献报道基于给体为PM6体系的OSC是否可以在零驱动力下有效运行。此外，尚不清楚HOMO偏移与电荷转移效率之间存在何种关系。因此，如何通过调节给受体之间的能级驱动力来平衡PCE与能量损失（E_loss）之间的关系，提高光伏性能依然是当前的一个研究挑战。

近期，江西师范大学/南昌大学陈义旺教授团队通过三元合金策略精准调控能级驱动力，通过三元合金策略将HOMO偏移量从零优化为合适大小的正值，以获得更有效的光电流生成和出色的PCE。此外，还提出了能级调节剂的概念，并发现了空穴传输速率、光电流的产生和HOMO能极差之间的良好相关性，这对于进一步了解OSC中的电荷传输过程非常有价值，并为进一步改善光伏性能提供了有力的方法。

该论文以“Realizing High-Performance Organic Solar Cells through Precise Control of HOMO Driving Force Based on Ternary Alloy Strategy”为题发表在中国科技期刊卓越行动计划重点资助期刊Journal of Energy Chemistry上，第一作者为南昌大学硕士生万继，浙江大学博士生陈增和南昌大学硕士生曾丽，通讯作者为江西师范大学/南昌大学陈义旺教授、江西师范大学廖勋凡特聘教授和浙江大学朱海明教授。

采用的电池结构为ITO/PEDOT:PSS/活性层/PDINO/Al。PM6，F8IC，IT-4F和Y6的化学结构如图1(a)所示。研究人员使用循环伏安法（CV）测试了所有样品的HOMO能级。图1(b)中描绘了PM6，F8IC，IT-4F，Y6，F8IC:IT-4F(0.45:0.55)和F8IC:Y6(0.65:0.35)的能级图。随着逐渐添加具有更低HOMO能级的第三组分，可以将F8IC:IT-4F和F8IC:Y6 HOMO能级调整为-5.55和-5.54 eV，使得给受体的HOMO偏移量适度增加（即空穴转移驱动力）。图3.1(d)给出了基于PM6，F8IC，IT-4F和Y6纯膜的归一化吸收光谱。可以发现IT-4F分子与PM6和F8IC具有互补的吸收光谱，Y6和F8IC分子具有较大的光谱吸收重叠。图1(e)展示了PM6:F8IC，PM6:F8IC:IT-4F和PM6:F8IC:Y6共混薄膜的吸收光谱，这与各自纯膜的吸收特征区域相吻合。

图1. (a) OSC的结构示意图以及PM6，F8IC，IT-4F和Y6的化学结构式 (b) OSC中使用的材料的能级图（F8IC:IT-4F = 0.45:0.55，F8IC:Y6 = 0.65:0.35，按重量计）(c) D/A界面处电荷分离的工作机理示意图 (d) PM6，F8IC，IT-4F和Y6薄膜的归一化吸收光谱。(e) OSC中活性层薄膜的吸收光谱。

图2(a)和(b)描述了二元和三元有机光伏的最佳效率的J-V特性曲线和EQE光谱图，基于PM6:F8IC的器件在ΔE_HOMO为0 eV的情况下表现出优秀的PCE为12.2％。在加入最优剂量的第三组分（IT-4F或Y6）后，ΔE_HOMO为0.07 eV的PM6:F8IC:IT-4F的PM6:F8IC:IT-4F器件的具有出色的PCE为13.8％。PM6:F8IC:Y6器件的PCE同样为13.8％，ΔEHOMO则为 0.06 eV。三元体系的稳态荧光中明显的淬灭表明从给体到受体的有效电子转移（图2c）。通过J_sc、V_oc对于光强的依赖性以及光电流密度（J_ph）和有效电压（V_eff）的曲线图表明具有合适驱动力的三元体系的双分子复合，缺陷-陷阱复合以及激子解离效率都得到了明显改善。

图2. (a) 基于PM6:F8IC，PM6:F8IC:IT-4F和PM6:F8IC:Y6器件的100 mW/cm2 AM 1.5G条件下性能最优的OSC的J-V曲线和 (b) EQE光谱。(c) PM6薄膜和相应的共混薄膜在560 nm激发的PL信号。(d) Jsc对不同光强度(Plight)的依赖性 (e) Voc对Plight的依赖性以及(f)相应器件的Jph-Veff曲线图。

通过GIXRD测试表征了纯膜和受体混合膜的结晶峰的位置和强度，通过DSC测试说明了不同受体的熔融峰的变化，此外，也发现了受体混合膜的HOMO能级以及三元体系的V_oc均随着第三组分的逐量添加呈现出了线性变化的趋势。以上测试结果均很好地证明了F8IC与IT-4F，F8IC与Y6之间合金状态的形成。

图3.F8IC，IT-4F，Y6，F8IC:IT-4F(0.45:0.55)和F8IC:Y6(0.65:0.35)混合膜的 (a) GIXRD图和(b)的DSC一次冷却曲线图及 (c) 二次升温曲线图。(d) 随着混合受体中IT-4F和Y6的含量的变化，F8IC:IT-4F和F8IC:Y6混合膜的HOMO能级变化图。(e) 随着加入的IT-4F和Y6含量的变化，OSC的V_oc变化图。

为了更深入地了解薄膜的动力学过程，还进行了飞秒（fs）瞬态吸收（TA）光谱表征。由于给体和受体在光谱中的主要稳态吸收峰是分离的，我们可以选择性地激发受体，并且可以很好地提取空穴转移（HT）过程的光谱和动力学特性。图4(a-c)分别描绘了725 nm激发后PM6:F8IC，PM6:F8IC:IT-4F和PM6:F8IC:Y6薄膜的TA光谱的二维色谱图，图4(h)则表明D/A共混膜中PM6 GSB的上升动力学的拟合曲线。空穴传输过程包括界面上的超快过程以及D/A域大小和聚集控制的扩散介导过程。显然，三元混合物显示出比二元混合物更快的空穴传输速率，表明在具有优化的HOMO能级差和形态的三元薄膜中，空穴传输效率更高。

图4. 在通量低于7.5 μJ/cm²下测得 (a-c)PM6:F8IC，PM6:F8IC:IT-4F和PM6:F8IC:Y6混合膜在指定的延迟时间处的fs TA光谱和(d-f)代表性fs TA光谱的色度图，(g)PM6:F8IC共混膜中PM6和F8IC的TA动力学，显示了空穴转移过程。(h)D/A共混膜中PM6 GSB的上升动力学变化。(i)在725 nm激发下纯F8IC和F8IC:IT-4F混合膜中F8IC信号的上升漂白动力学。

该工作揭示了通过三元合金策略可以调节得到适度大小的HOMO能级驱动力，既可以确保有效的电荷分离，又可以在实现较小的能量损失的情况下得到高J_sc。此外，提出了“能级调节剂”的概念，并发现了空穴传输速率，光电流的产生和HOMO能极差之间的良好相关性，这对于进一步了解OSC中的电荷传输过程具有一定的参考价值，并为进一步改善光伏性能提供了有力的方法。