有机半导体材料在溶液中预聚集直接影响后续成膜及光电性能。对于溶液中有机半导体聚集行为的直接观测，有助于解析这一类超越分子层次的特殊构效关系。冷冻电镜可以将溶液态的分子迅速冷冻定型，由此可以直观揭示有机分子在溶液中的聚集行为。近期，中国科学院重庆绿色智能技术研究院（以下简称重庆研究院）研究人员与沙特阿卜杜拉国王科技大学的研究人员合作，通过冷冻电镜对有机光伏材料分子的溶液聚集行为进行了研究，揭示了溶液聚集态对成膜的影响，指导获得高效率的有机光伏电池，相关工作以“Insights into Pre-aggregation Control of Y-series Non-fullerene Acceptors in Liquid State for Highly Efficient Binary Organic Solar Cells” 为题发表于《先进材料》(Adv. Mater. 2024,10.1002/adma.202402833)。
光电转化效率是衡量光伏电池性能的第一指标。近年来，有机光伏电池的效率通过不断的材料创新和器件优化取得了突飞猛进的发展。但是相较于晶硅光伏电池、钙钛矿光伏电池等，有机光伏电池的效率还存在差距。为提升有机光伏电池效率，需要降低光伏电池的能量损失同时改善有机薄膜形貌，以此获得更高的开路电压。在此方面，通过源头上材料端的合理设计，诱导活性层更优的相形貌分离，进而降低能量损失，以此提升光伏电池效率是最优方案，也是最有挑战的策略之一。重庆研究院与香港理工大学等合作，通过合理设计筛选材料分子片段，构建高效的有机光伏材料分子，实现给受体材料结晶性、互溶性、能级、吸收光谱、相分离等多维度匹配，获得了光电转化效率19.9%的有机光伏电池，相关工作以“Rational molecular and device design enables organic solar cells approaching 20% efficiency”为题发表于《自然通讯》(Nature Commun. 2024,15,1830)。
晶界是影响钙钛矿、碲化镉、铜铟镓硒等薄膜光伏性能的重要因素。晶体的长程有序性在晶界处中断，后续加工过程中晶界与晶粒掺杂不均，使得晶界能从大块材料中捕获载流子，产生局部电荷、局域能态。局域能态造成能带弯曲，最终晶界表现出与晶粒内部截然不同的电学行为，影响多晶薄膜光电转换效率。一方面晶界作为重组位点捕获载流子，另一方面晶界与晶粒之间的能带弯曲，有益于载流子的分离，晶界对薄膜光伏光电转化效率的有益性还是有害性仍存在争论。重庆研究院研究人员从载流子动力学的角度，介绍晶界电学行为从理论推导到实验观测发展历程，并对晶界电学行为进行分类，阐述了载流子在偏压，光照等外加条件情况下的运动状态，及晶界能带变化，揭示了通过钝化等处理手段调整晶界元素等对薄膜光伏电池的影响。相关工作以“The Electrical Behaviors of Grain Boundaries in Polycrystalline Optoelectronic Materials”为题发表于《先进材料》 (Adv. Mater. 2024,36,2304855)。
上述工作得到国家自然科学基金、中国科学院、重庆市项目支持。