非富勒烯有機光伏體系三線態(tài)損耗通道的分子氟化調控

占肖衛(wèi)

北京大學材料科學與工程學院，北京 100871

非富勒烯光伏系統(tǒng)三線態(tài)能級的受體氟化調控機制(a)。有機聚合物給體以及氟化和未氟化的非富勒烯受體分子結構(b)。在氟化受體所構成的體異質結結構中，三線態(tài)產生被抑制(c)，自由電荷具有更長的壽命(d)。

有機太陽能電池受益于非富勒烯受體的發(fā)展，能量轉換效率已躍升至18%左右1，器件效率的進一步提升決定于光電荷產生、輸運和收集過程中的量子效率。光激發(fā)載流子的動力學過程的研究，不僅能闡述基本工作原理，也為器件優(yōu)化提供新思路。在有機給、受體共混體系中，光激發(fā)單線態(tài)激子拆分成的電子空穴，通過雙分子復合有一定幾率重新形成界面激子，其中界面電荷轉移三線態(tài)(3CT)通過系統(tǒng)中能量較低的三線態(tài)復合，該自旋相關的損耗通道是有機器件區(qū)別于無機器件的重要特征，也是器件優(yōu)化的主要挑戰(zhàn)之一2。

最近，南京大學物理學院張春峰/肖敏教授課題組聯(lián)合化學化工學院馬晶教授和北京化工大學張志國教授，實驗和理論合作研究表明，非富勒烯受體光伏體系中，三線態(tài)損耗可以借助受體氟化抑制(圖a)。研究人員采用超快光譜學實驗結合量子化學計算的方法，研究了給體PTQ10和模型受體分子IDIC和MO-IDIC的給受體共混體系中(圖b)的激發(fā)態(tài)動力學過程。光譜學實驗結果清晰顯示雙分子復合產生三線態(tài)的光譜特征，在氟化受體的體系中，三線態(tài)產生顯著抑制(圖c)，載流子的壽命明顯延長(圖d)；理論計算表明在給受體的界面處，氟化受體分子和給體分子更強的耦合導致界面處的電荷轉移三線態(tài)(3CT)和受體中的局域三線態(tài)(3LE)發(fā)生雜化，界面處的三線態(tài)能量降低，抑制了從界面到受體分子的三線態(tài)能量轉移過程，從而減少了三線態(tài)復合損耗。研究結果解釋了器件優(yōu)化受體氟化策略的內在機制，為抑制器件損耗提供了新的思路，上述相關研究成果近期發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上3。

非富勒烯受體在近紅外光譜段有很強的吸收，動力學機制也展現(xiàn)了與富勒烯受體體系不一樣的特征。研究組與多方合作研究了約200多不同給受體組合，觀察到低界面驅動能下高效的空穴轉移4，揭示了聚合物受體中構型依賴的電荷轉移激發(fā)態(tài)主導的空穴轉移通道5；最近，在典型PM6/Y6體系中，研究組觀察到由分子間相互作用，受體疇內激發(fā)態(tài)媒介的電荷分離過程6。電荷分離過程的闡述對理解分子聚集態(tài)的光物化機制，理解非富勒烯受體光伏的工作原理具有重要意義，也將為器件的進一步優(yōu)化提供重要依據(jù)。