有机光伏多时间尺度激子动力学

以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications

英文原题：Multiple-Time Scale Exciton Dynamics in Organic Photovoltaic Devices

通讯作者：郝晓涛，山东大学

作者：张康宁

研究背景

有机光伏作为新型光伏技术的一个重要组成部分，具有可柔性加工、半透明、质量轻和颜色可调等特点和优势，因而可用于各种室外和室内应用场景。由于有机半导体的低介电常数和强电声耦合特征，克服束缚激子的库仑结合能将其解离为自由载流子是有机光伏器件的核心工作原理。随着高性能非富勒烯受体和电子给体材料的快速发展，有机太阳电池的能量转换效率已经提升至19%以上。在此期间，有机光伏器件中的激发态物理机制同样呈现出长足的发展。多时间尺度激子动力学在控制光吸收和发光、决定器件效率和稳定性以及指导材料设计和合成方面起着至关重要的作用。从光物理的角度，如何对飞秒到皮秒时间尺度上的电荷产生、纳秒到微秒时间尺度上的电荷复合以及长期稳定性等多时间尺度激子动力学进行深入的研究与理解面临着诸多挑战。

快讯亮点

依据国内外激发态物理过程和机制的研究结果，我们总结了近年来有机光伏多场景应用相关的激子动力学进展，并提出了对多时间尺度激子动力学的一些见解，主要涉及以下四个方面：（1）双Förster共振能量转移驱动的长程激子扩散，（2）小能量偏移下空穴转移驱动力的来源，（3）室内外有机光伏器件中缺陷诱导的电荷复合，（4）稳定性相关的激子和电荷载流子动力学演化。这四个主题的讨论主要是基于它们的时间尺度进行的。

内容介绍

图1. 有机光伏器件中激子和电荷载流子动力学

非富勒烯受体的发展和繁荣使得室外和室内有机光伏器件的效率和稳定性都有了显著的突破。这一进展伴随着一些新奇的光物理观测结果，值得更深入的光谱学研究。基于此，我们研究了一些具有高量子效率和光电流产生的非富勒烯有机光伏器件中的潜在激子动力学机制。依据超快光谱的实验研究，我们提出了对于多时间尺度激子动力学的理解和观点，主要包括激子扩散的调控、空穴转移驱动力的来源、室内外有机光伏器件中缺陷诱导电荷复合的抑制、以及器件老化过程中激子动力学演化图像的构建。这些光物理研究的进展为进一步提高有机光伏器件的效率和稳定性提供了新的方法或途径。

此外，作者指出虽然有机光伏器件在多场景应用中取得了长足的发展和瞩目的成就，但仍然存在许多问题亟待解决：（1）较大的非辐射电压损耗限制了开路电压的进一步提高。近年来，一些报道证明了非富勒烯受体中三重态激子的形成是一个重要的非辐射复合通道。因此，有必要了解其内在起源，并探索抑制这种电荷复合路径的可行方法。（2）激子到电荷的分离和自发载流子的产生相关的双通道电荷产生背后的物理机制仍不清楚。在较小的能量偏移下，对这种协同电荷产生的全面理解将有助于实现非富勒烯有机光伏器件中光电流产生和能量损失之间的平衡。（3）由于室外有机光伏材料的设计原则并不适用于室内有机光伏器件，其激子动力学相关的工作机制与室内有机光伏器件有很大不同。此外，缺陷诱导的电荷复合在很大程度上取决于共混微纳结构。结合室外和室内有机光伏的形貌研究，探索和总结其激发态动力学的差异是至关重要的。（4）考虑到有机光伏器件衰减源于多个因素，在长期工作条件下，相关激子和电荷载流子动力学将极其复杂。识别激子和电荷载流子的演化对于理解衰减机制至关重要。调控激子和电荷载流子动力学可以为提高器件稳定性提供更多的可能性。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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