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，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。早期的觀點認(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實驗室黃輝課題組近年來以碲吩材料為切入點，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）。