AM:低电荷转移驱动力的有机太阳能电池，短激发态寿命介导电荷复合损耗

导语：研究人员利用低光学间隙吡咯二酮（DPP）聚合物P(DPP6DOT2-T)和富勒烯衍生物PC[70]BM组成的给受体混合物，采用了多方面的实验和理论方法研究了影响共混物中电子转移过程和电荷转移态离解的各种因素。

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https://doi.org/10.1002/adma.202101784

https://doi.org/10.1002/adma.2021017842101781.前言

基于给体-受体共混物的有机太阳能电池（OSCs）是一种廉价且碳中和的太阳能发电技术，为了提高OSCs器件的效率，需要优化开路电压（VOC）和短路电流密度（JSC）。其中一个常见的策略是使用低驱动力的给受体混合物进行界面电荷转移（CT）。给体和受体分子的前线分子轨道之间的低能量偏移导致界面CT态的形成，其能量接近给体或受体的单线态激发能级，进而导致器件的VOC有所改善。另一方面，对于此类共混物，Marcus理论预测，由于异质结处的驱动力降低，电子转移过程会减慢，这可能导致激子总体的复合损失和较低的光电流产生。

然而，大量给受体共混物仍然同时显示出高的外部量子效率（EQE）和高VOC，需要考虑的是，在这些低驱动力共混物中，电子转移过程和随后的CT态解离到底受什么机理原理控制？事实上，CT态的解离机制一直备受争议。需要回答的关键性问题是界面上的电子-空穴对如何逃逸其相互库仑势。特别是在聚合物和富勒烯共混物的情况下，更大的富勒烯簇显示出更高的带状离域态密度，一旦达到这种密度，有助于提高电荷载流子分离的效率。单重态激子是否能在没有明显驱动力的情况下有效地耦合到这种离域态仍然是一个悬而未决的问题。

2.简介

为了深入解析其中的机理，近日，瑞士伯尔尼大学Natalie Banerji教授与德国慕尼黑工业大学Frank Ortmann教授等人细致地研究了一种由低光学间隙吡咯二酮（DPP）聚合物P(DPP6DOT2-T)和富勒烯衍生物PC[70]BM组成的给受体混合物。研究人员采用了多方面的实验和理论方法研究了影响P(DPP6DOT2-T):PC[70]BM共混物中电子转移过程和CT态离解的各种因素。这种混合物的界面电子转移过程驱动力几乎为零(≈50-70 meV），同时使用飞秒瞬态吸收（TA）光谱来量化原始聚合物膜中的单线态激发态（S1）寿命以及共混膜中的正向和反向电荷转移动力学。而后，他们还利用电调制差分吸收（EDA）光谱研究了CT态解离过程，该技术能够在早期时间尺度上（<1 ns）跟踪电子-空穴对的分离及其迁移率色散。

此外，在理论方面，研究人员采用密度泛函理论（DFT）来计算异质结电子转移过程的转移积分，并且通过模式分辨重组能的计算深入了解了电子-声子耦合过程。研究结果显示，整个体系具有显著的电荷复合和异常短的S1和CT态寿命(≈14 ps）。在低S1–CT偏移量下，短S1寿命介导电荷复合，主要是因为：（1）从CT反向转移到S1状态，然后发生S1复合；（2）额外的S1–CT杂交降低CT寿命。此外，由于局部电荷迁移率较低，可以观察到电荷从CT状态相对缓慢（数十皮秒）的离解。另一方面，通过将S1和CT寿命增加到150 ps，自由电荷产率可以从观察到的12%增加到60%。另一方面，尽管寿命较短，但在减少界面CT态无序的同时增加自由电荷的体无序可以将产率提高到65%。

3.总结

综上，该工作系统地研究了给受体共混物中的电子转移过程中所产生的驱动力，为后续的工作奠定了非常扎实的理论基础。相关研究成果现已发表在国际材料类顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“Short Excited-State Lifetimes Mediate Charge-Recombination Losses in Organic Solar Cell Blends with Low Charge-Transfer Driving Force”。

本文关键词：有机太阳能电池，富勒烯受体，电荷解离，电子转移，P(DPP6DOT2-T)，PC[70]BM。

4.材料