探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 083

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

083 三元体系：第三组分的“搅局”与协同增效 2025-12-05

在有机光伏（OPV）材料体系从“传统给受体（D/A）二元体系”迈向高效、稳定、可制造化的过程中，三元体系（Ternary OPV） 已成为重要的性能突破路径。所谓三元体系，是在原本的 donor/acceptor（给体/受体）体系中，引入第三类功能性材料，从而获得协同增益，包括更高的光电转换效率（PCE）、更稳定的形貌、更优化的电荷输运等。

然而“第三组分”并不总是增益，它也可能“搅局”——破坏相分离平衡、增加能级错配、引发形貌过度粗化。因此理解三元体系的机理，是提升器件性能的关键。


一、为什么需要三元体系？

传统二元体系的瓶颈主要来自：
✔ 吸收谱窄，不足以覆盖太阳光谱

许多高性能 acceptor（如 Y6 系列）吸收位于近红外，donor 的吸收多在可见区，两者覆盖仍有限。
✔ 形貌与电荷输运的耦合限制

二元体系往往存在折中：

混合太细，会影响载流子迁移

相分离过粗，电荷复合增加

✔ 能级匹配的固有限制

理想的 HOMO/LUMO 分布很难只靠两个材料实现。

三元体系能突破这些约束，使 OPV 可在不改变核心材料的基础上进一步“微调”。


二、第三组分究竟在“搅局”什么？

第三组分可以影响：
1. 光谱吸收：补强 or 竞争？

若第三组分与主体系有互补吸收，则能提升短路电流（J_SC）；
但若吸收谱重叠太强，可能：

竞争光激子来源

不参与有效电荷分离

引发无效复合通道

这种现象就是典型的“搅局”。

2. 能级结构：梯级效应 or 陷阱？
（1）梯级效应（Cascade）——有益
第三组分若能在 HOMO/LUMO 上形成阶梯式降落，有利于：

exciton dissociation

更顺畅的电荷传输

降低能量损失（E_loss）

（2）能级陷阱（Trap）——有害
若其能级位于主体系中间，但缺乏充分耦合，则会成为：

电荷捕获中心

陷阱态

复合增强点

导致 FF 和 J_SC 降低。

3. 混合形貌：相分离改善 or 破坏？
这是三元体系中最重要、也最复杂的影响。

第三组分可能：
✔ 改善相分离（协同）

作为“链扩散调节剂”

稳定最佳 domain 尺寸

提升结晶度或 π-π stacking

✘ 破坏相分离（搅局）

被排斥到界面形成 island

与 donor/acceptor 单方过度凝聚

造成 percolation path 不连续

形貌失败，是三元体系实验中最易遇到的问题之一。


三、三元体系的典型架构与机理

三元体系有三种主要模式：
1. 混合型（Alloy Model）
第三组分与主体系 相互充分溶混，形成类“合金”体系。

适用于：
L8-BO/Y6 类；PM6/第三组分 acceptor 等

效果：

统一相中调节能级

吸收增强

形貌更均匀

2. 共混型（Parallel Model）
第三组分与 donor 或 acceptor 形成独立的 D/A 路径。

如 PM6:Y6 和 PM6:PCBM 同时存在。

优点：

多条并行通道减少复合

外量子效率（EQE）更宽

3. 能级梯级型（Cascade Model）
第三组分专门用于形成 能级阶梯，提升电荷分离效率。

例：加入能级介于 donor 与 acceptor 之间的分子。


四、三元体系的协同增效：为什么能做到高 PCE 与稳态形貌？
✔ 1. 增广吸收 → 更高 J_SC
补强可见光或近红外区域，提升光生载流子数量。

✔ 2. 降低能损（E_loss）
更好的能级阶梯减少电荷分离所需能量。

✔ 3. 形貌稳定化
合理的第三组分可：

降低相分离驱动力

夹制过度粗化

增加热稳定性与长期稳定性

✔ 4. 提升 FF 和电荷迁移率
若第三组分能提高堆积与结晶性，可让输运通道更连续。


五、“搅局”常见问题与解决思路
搅局表现 可能原因 对策
PCE下降 能级不匹配 选用能级更靠近 donor/acceptor 的组分
FF下降 形貌破坏 优化溶剂/退火/添加剂
J_SC不升反降 竞争吸收、不参与电荷传输 避免吸收谱重叠的第三组分
稳定性变差 第三组分易迁移或分相 使用更高 Tg 或更 rigid 的分子结构


六、当前研究趋势
⭐ 1. 第三组分向“分子工程型工具”演进
用于能级调控、π-π stacking 工程、氢键辅助形貌锁定等。

⭐ 2. 全 acceptor 三元体系（A1/A2/A3）快速增长
尤其是 Y6 衍生物的定向混合。

⭐ 3. 面向大面积涂布（slot-die / blade coating）的三元体系
关注溶剂友好度、干燥行为与界面温度窗口。

⭐ 4. 三元体系在稳定性方向比二元体系更具优势

可用第三组分调控局域堆积与界面能，减少聚集与相粗化。


七、总结：第三组分既是“搅局者”，也是“增益剂”

三元体系的本质，是在 donor–acceptor 这对高度耦合的材料关系中，增加一个新的自由度。

第三组分既可以破坏，也可以重塑体系，使其达到更高的：

吸收宽度

电荷分离效率

形貌稳定性

器件稳定性

大面积制程兼容性

其核心挑战在于：
平衡光谱、能级、形貌三者之间的耦合。