非富勒烯有機光伏體系三線態損耗通道的分子氟化調控

占肖衛

北京大學材料科學與工程學院，北京 100871

非富勒烯光伏系統三線態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，也為器件優化提供新思路。在有機給、受體共混體系中，光激發單線態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(3CT)通過系統中能量較低的三線態復合，該自旋相關的損耗通道是有機器件區別于無機器件的重要特征，也是器件優化的主要挑戰之一2。

最近，南京大學物理學院張春峰/肖敏教授課題組聯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)的激發態動力學過程。光譜學實驗結果清晰顯示雙分子復合產生三線態的光譜特征，在氟化受體的體系中，三線態產生顯著抑制(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(3CT)和受體中的局域三線態(3LE)發生雜化，界面處的三線態能量降低，抑制了從界面到受體分子的三線態能量轉移過程，從而減少了三線態復合損耗。研究結果解釋了器件優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態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，受體疇內激發態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化提供重要依據。