在国家自然科学基金项目（批准号：21734008）等资助下，浙江大学左立见研究员、陈红征教授团队与美国华盛顿大学、香港城市大学Alex Jen（任广禹）院士等人合作，在有机光伏器件的物理机制研究方面取得进展。相关成果以“多组分共混有机太阳能电池中的稀释效应原理（Dilution effect of multi-component organic solar cells）”为题，于2021年12月6日在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-01011-1。
有机光伏（OPV）器件活性层通常由给体材料和受体材料共混形成的“本体异质结”构成，并通过纳米相分离双连续结构实现高效激子分离和电荷传输。近年来，人们发现将第三组分加入到本体异质结中制备多组分OPV器件会显著提高器件效率，但对其工作原理与光电转换过程的理解仍然缺少有效的物理模型与理论支撑，限制了多组分共混材料的快速筛选和器件优化。
针对上述问题，研究团队提出了“稀释效应（dilution effect）”揭示多组分OPV器件的工作原理。通常，有机半导体分子从溶液到固态会发生聚集态结构变化，同时伴随光电性质的改变。与之类似，研究团队将两种相容性好的有机半导体材料共混并引发一系列光电性质变化的现象定义为“稀释效应”。“稀释效应”合理解释了多组分OPV器件中常见的光谱蓝移、带隙变宽以及非辐射电荷复合被大幅抑制等现象，并进一步揭示了其产生根源在于电子—震动耦合过程的削弱。“稀释效应”导致的带隙和非辐射跃迁随组分的变化成功解释了多组分OPV器件开路电压随组分变化的现象，阐明了共混过程的电荷转移和传输规律。根据“稀释效应”原理，研究团队提出了多组分OPV材料的选择原则，并在多种材料体系下进行验证，证明了“稀释效应”在多组分OPV器件中的普适性和材料筛选原则的有效性，并在此基础上实现了18.3%的OPV器件效率。该工作证实了“稀释效应”普遍存在于相容性好的有机半导体共混薄膜中，对研究有机半导体结构—形貌—性能关系、揭示有机复合半导体物理过程具有借鉴意义（图）。
图 多组分有机光伏器件“稀释效应”原理示意图