三線態(tài)有機(jī)太陽能電池研究取得進(jìn)展

 

　　從單線態(tài)到三線態(tài)的系間穿越是光物理的重要基本過程，同時，具有大量三線態(tài)的有機(jī)半導(dǎo)體材料在光伏、室溫磷光和光動力學(xué)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。因此，設(shè)計(jì)并合成三線態(tài)有機(jī)半導(dǎo)體材料是材料領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)，吸引了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。

 

　　在有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域，三線態(tài)材料的工作機(jī)理一直存在不同的科學(xué)觀點(diǎn)。早期的觀點(diǎn)認(rèn)為三線態(tài)材料有利于提高激子的遷移距離，因此有利于太陽能電池性能的提高；近期的相關(guān)研究表明，由于三線態(tài)-三線態(tài)湮滅（TTA）的過程的存在，三線態(tài)材料可能不利于激子的遷移和電荷分離，從而不適應(yīng)于構(gòu)建高性能的有機(jī)太陽能電池。

 

　　針對三線態(tài)的基本科學(xué)問題，中國科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院和中科院真空物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃輝課題組近年來以碲吩材料為切入點(diǎn)，系統(tǒng)研究了該類三線態(tài)材料在光電領(lǐng)域的應(yīng)用，以探討三線態(tài)材料的基本工作原理。研究人員設(shè)計(jì)并合成了首個n-型碲吩共軛高分子材料，并構(gòu)建了性能優(yōu)異的全聚合物有機(jī)太陽能電池（ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8, 34620-34629）。然后，采用無規(guī)共聚的方法，設(shè)計(jì)并合成了一系列無規(guī)共聚的n-型共軛高分子材料，并構(gòu)建了高響應(yīng)度的全聚合物光電探測器（ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10, 1917-1924）。然而，上述研究過程中，由于材料自身性能的限制，并未觀察到顯著的三線態(tài)產(chǎn)生，因此未能夠?qū)θ�線態(tài)材料工作機(jī)理進(jìn)入較深入研究。

 

　　最近，在國家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金委和中科院的支持下，黃輝課題組設(shè)計(jì)并合成了一系列具有不同稠環(huán)程度的碲吩n-型有機(jī)半導(dǎo)體材料。研究結(jié)果表明，稠環(huán)程度對材料的物化性質(zhì)和太陽能電池性能具有明顯的影響；通過稠環(huán)程度的調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換率大于7.5%的有機(jī)太陽能電池。進(jìn)一步研究表明，該類材料具有很強(qiáng)的系間穿越，產(chǎn)生了大量的三線態(tài)，有利于提高激子的擴(kuò)散距離。同時，由于該類材料的三線態(tài)能級不低于其電荷轉(zhuǎn)移（CT）態(tài)，三線態(tài)激子能夠重新回到電荷轉(zhuǎn)移態(tài)并最終分離為自由遷移的電子和空穴，因此有利于太陽能電池性能的提高。該工作被審稿人認(rèn)為“concept novelty and significance”（概念性的新穎和重要），并發(fā)表于Angew. Chem. Int. Ed.上（2018, 57, 1097）。