有機半導體材料在溶液中預聚集直接影響后續成膜及光電性能。對于溶液中有機半導體聚集行為的直接觀測，有助于解析這一類超越分子層次的特殊構效關系。冷凍電鏡可以將溶液態的分子迅速冷凍定型，由此可以直觀揭示有機分子在溶液中的聚集行為。近期，中國科學院重慶綠色智能技術研究院（以下簡稱重慶研究院）研究人員與沙特阿卜杜拉國王科技大學的研究人員合作，通過冷凍電鏡對有機光伏材料分子的溶液聚集行為進行了研究，揭示了溶液聚集態對成膜的影響，指導獲得高效率的有機光伏電池，相關工作以“Insights into Pre-aggregation Control of Y-series Non-fullerene Acceptors in Liquid State for Highly Efficient Binary Organic Solar Cells” 為題發表于《先進材料》(Adv. Mater. 2024,10.1002/adma.202402833)。

光電轉化效率是衡量光伏電池性能的第一指標。近年來，有機光伏電池的效率通過不斷的材料創新和器件優化取得了突飛猛進的發展。但是相較于晶硅光伏電池、鈣鈦礦光伏電池等，有機光伏電池的效率還存在差距。為提升有機光伏電池效率，需要降低光伏電池的能量損失同時改善有機薄膜形貌，以此獲得更高的開路電壓。在此方面，通過源頭上材料端的合理設計，誘導活性層更優的相形貌分離，進而降低能量損失，以此提升光伏電池效率是最優方案，也是最有挑戰的策略之一。重慶研究院與香港理工大學等合作，通過合理設計篩選材料分子片段，構建高效的有機光伏材料分子，實現給受體材料結晶性、互溶性、能級、吸收光譜、相分離等多維度匹配，獲得了光電轉化效率19.9%的有機光伏電池，相關工作以“Rational molecular and device design enables organic solar cells approaching 20% efficiency”為題發表于《自然通訊》(Nature Commun. 2024,15,1830)。

晶界是影響鈣鈦礦、碲化鎘、銅銦鎵硒等薄膜光伏性能的重要因素。晶體的長程有序性在晶界處中斷，后續加工過程中晶界與晶粒摻雜不均，使得晶界能從大塊材料中捕獲載流子，產生局部電荷、局域能態。局域能態造成能帶彎曲，最終晶界表現出與晶粒內部截然不同的電學行為，影響多晶薄膜光電轉換效率。一方面晶界作為重組位點捕獲載流子，另一方面晶界與晶粒之間的能帶彎曲，有益于載流子的分離，晶界對薄膜光伏光電轉化效率的有益性還是有害性仍存在爭論。重慶研究院研究人員從載流子動力學的角度，介紹晶界電學行為從理論推導到實驗觀測發展歷程，并對晶界電學行為進行分類，闡述了載流子在偏壓，光照等外加條件情況下的運動狀態，及晶界能帶變化，揭示了通過鈍化等處理手段調整晶界元素等對薄膜光伏電池的影響。相關工作以“The Electrical Behaviors of Grain Boundaries in Polycrystalline Optoelectronic Materials”為題發表于《先進材料》 (Adv. Mater. 2024,36,2304855)。

上述工作得到國家自然科學基金、中國科學院、重慶市項目支持。