新突破！三元铸态有机光伏电池效率达 19.51%

有机光伏电池的产业化推进，一直受限于复杂制备工艺带来的成本高、稳定性差等问题，开发无需额外处理的铸态器件成为行业突破瓶颈的关键。近日，北京理工大学化学与化工学院安桥石团队在这一领域取得重要进展，成功制备出光电转换效率达 19.51% 的三元铸态有机光伏电池，相关研究成果发表于《Science Bulletin》，为高效铸态有机光伏电池的研发和产业化应用提供了重要的理论与实践支撑。

近年来，随着新型非富勒烯受体与聚合物给体材料的不断创新，单结有机光伏电池的光电转换效率已突破 20%，从效率指标来看，已初步满足商业化生产的基本需求。但在实际生产端，高效率器件的制备却始终绕不开复杂的前、后处理工艺，热退火、溶剂熏蒸、热基底处理等步骤缺一不可。这些工艺不仅无法与卷对卷印刷、狭缝涂布等低成本、大面积的制备技术兼容，推高了生产升本，还会导致器件批次稳定性下降；同时，多步工艺的叠加让活性层结构与性能之间的关系变得更为复杂，也给新材料体系的迭代优化带来了诸多阻碍。如何在摆脱复杂处理工艺的同时，保持器件的高效率，成为有机光伏电池从实验室走向生产线的核心难题。

针对这一行业痛点，北理工安桥石团队将研究目光投向了三元体系设计，试图通过材料的合理搭配与调控，打造出无需额外处理的高性能铸态器件。团队选用化学结构相似、兼容性良好的两种小分子受体 Y6 和 Y6-1O，与聚合物给体 D18 进行匹配组合，制备三元铸态有机光伏电池。之所以选择这两种受体材料，正是因为二者具有互补的带隙和能级，为后续优化器件短路电流密度与开路电压的平衡创造了条件，这也是团队在材料选型时的重要考量。

为了让三元体系发挥出最佳性能，团队开展了一系列深入研究，从成膜动力学、活性层形貌观察到理论计算，层层剖析材料间的相互作用机制。研究中发现了一个关键特性：Y6-1O 的分子聚集性更强，且与给体 D18 的结合能远高于 Y6 与 D18 的结合能，这一特性让 D18:Y6-1O 的二元体系拥有更快的成膜过程。而这一发现也为团队提供了新的优化思路 —— 通过调控三元体系中 Y6-1O 的含量，精准调节活性层的成膜时间，从而有效控制 D18 分子的聚集状态。最终，团队成功构筑出了理想的活性层形貌，这种结构恰好能满足激子解离、电荷传输与收集的多重需求，不仅显著降低了三元器件的能量损失，还大幅提升了填充因子。在两种受体分子的协同作用下，高性能的三元铸态器件应运而生，光电转换效率达到 19.51%，实现了铸态器件效率的重要突破。

此次研究的意义，不仅在于制备出了高效率的三元铸态有机光伏电池，更在于团队通过系统的研究和分析，清晰阐释了分子间相互作用、成膜动力学、活性层形貌与器件性能之间的构效关系。这一研究结论并非单纯的实验数据总结，更是为后续科研工作者开发高效铸态有机光伏电池提供了明确的理论指导，让后续研究少走弯路，更具针对性。

据了解，该研究成果的取得，得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京理工大学科技创新计划等多个项目的资助，同时也获得了北京理工大学分析测试中心的技术支持。业内人士表示，北理工团队的这一研究，直击有机光伏电池产业化的核心痛点，为其低成本、规模化生产扫清了关键技术障碍，有望推动有机光伏产业朝着更经济、更稳定、更易产业化的方向发展。