JACS:有机太阳能电池中的电荷转移态寿命与材料能量学的关系

发表时间：2022-04-21 10:25作者：知研光电材料

1.前言

有机太阳能电池（OSCs）是由电子给体（D）和受体（A）材料构成的一种体异质结混合物。在光照条件下，激子可以在D:A界面上解离，形成电荷转移（CT）态，而这些CT态深刻影响着OSCs器件的效率。例如，CT态能量（ECT）与开路电压（VOC）和电压损耗密切相关，减少驱动电荷分离的能量偏移，即单重态激子（S1）和CT态之间的能量偏移（ΔECT-S1）可以抑制能量损失，获得更高的VOC，但另一方面也可能不利于自由电荷的产生。此外，CT态的寿命是决定器件功能的另一个因素，它可以影响这些态如何有效地分离为自由电荷，以及自由载流子复合的动力学。然而，目前关于决定共混物CT态寿命的参数研究相对较少，特别是CT态寿命如何受到材料能量学的影响。

图1:激态与CT态的动力学势能面图

2.简介

基于以上的一些疑问，近日，英国伦敦帝国理工学院James R. Durrant教授研究团队利用瞬态吸收光谱（TAS）确定了7种不同OSCs共混物的CT衰减动力学，包括无定形共混物（如PBDB-T:EH-IDTBR等）和结晶形共混物（如PTQ10:IDIC等），它们都表现出快速的激子产生行为（<15 ps）和清晰可见的单分子CT态衰变。研究结果显示，高偏移OSCs共混体系的CT态寿命遵循材料能量学的能隙定律，而低偏移OSCs共混体系则表现出相反的趋势，并且CT态寿命会随着能量损失的减小而减小，这一结果归因于CT态之间的混合/杂化程度的增加，以及ΔECT-S1的降低。

图2:PBDB-T-SF:IT-4F薄膜的瞬态吸收光谱等

事实上，在低偏移体系中观察到的 CT态寿命的减少，很可能与特定非富勒烯受体（NFA）相对较短的激子寿命有关。PCBM在固体薄膜中单重态激子寿命大于 1 ns ，因此CT态和PCBM激子态的混合不太可能加速CT态的衰变。由此可见，在具有长激子寿命的低带隙组分共混物中，激子态与CT态的混合并不太可能引起CT的加速衰变。然而，在激子寿命相对较短的低带隙组分共混物中，CT态寿命的大幅缩短和ΔECT-S1的降低却特别明显。研究结果说明，短激子寿命不仅影响激子分离的效率，而且还会影响CT态的复合过程动力学。因此，设计具有长激子寿命的固态受体材料，消除低偏移体系中CT态的双分子复合，可以进一步提高OSCs的效率。

3.总结

综上，该工作强调了最大化NFA单重态激子寿命以及材料能量学对于进一步提高OSCs性能的重要性。相关研究成果现已发表在国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》上，题为“Correlating Charge-Transfer State Lifetimes with Material Energetics in Polymer:Non-Fullerene Acceptor Organic Solar Cells”。

本文关键词：有机太阳能电池，OSC，电荷转移态，电荷转移态能量，激子寿命，开路电压，能量损失。

4.文中所涉及材料