AM: 低電荷轉移驅動力的有機太陽能電池，短激發態壽命介導電荷複合損耗

1.前言

基於給體-受體共混物的有機太陽能電池（OSCs）是一種廉價且碳中和的太陽能發電技術，為了提高OSCs器件的效率，需要最佳化開路電壓（VOC）和短路電流密度（JSC）。其中一個常見的策略是使用低驅動力的給受體混合物進行介面電荷轉移（CT）。給體和受體分子的前線分子軌道之間的低能量偏移導致介面CT態的形成，其能量接近給體或受體的單線態激發能級，進而導致器件的VOC有所改善。另一方面，對於此類共混物，Marcus理論預測，由於異質結處的驅動力降低，電子轉移過程會減慢，這可能導致激子總體的複合損失和較低的光電流產生。

然而，大量給受體共混物仍然同時顯示出高的外部量子效率（EQE）和高VOC，需要考慮的是，在這些低驅動力共混物中，電子轉移過程和隨後的CT態解離到底受什麼機理原理控制？事實上，CT態的解離機制一直備受爭議。需要回答的關鍵性問題是介面上的電子-空穴對如何逃逸其相互庫侖勢。特別是在聚合物和富勒烯共混物的情況下，更大的富勒烯簇顯示出更高的帶狀離域態密度，一旦達到這種密度，有助於提高電荷載流子分離的效率。單重態激子是否能在沒有明顯驅動力的情況下有效地耦合到這種離域態仍然是一個懸而未決的問題。

圖1：相關分子結構與TA光譜、MCR動力學

2.簡介

為了深入解析其中的機理，近日，

瑞士伯爾尼大學Natalie Banerji教授

與

德國慕尼黑工業大學Frank Ortmann教授

等人細緻地研究了一種由低光學間隙吡咯二酮（DPP）聚合物P（DPP6DOT2-T）和富勒烯衍生物PC［70］BM組成的給受體混合物。研究人員採用了多方面的實驗和理論方法研究了影響P（DPP6DOT2-T）：PC［70］BM共混物中電子轉移過程和CT態離解的各種因素。這種混合物的介面電子轉移過程驅動力幾乎為零（≈50-70 meV），同時使用飛秒瞬態吸收（TA）光譜來量化原始聚合物膜中的單線態激發態（S1）壽命以及共混膜中的正向和反向電荷轉移動力學。而後，他們還利用電調製差分吸收（EDA）光譜研究了CT態解離過程，該技術能夠在早期時間尺度上（<1 ns）跟蹤電子-空穴對的分離及其遷移率色散。

圖2：動力學模型

此外，在理論方面，研究人員採用密度泛函理論（DFT）來計算異質結電子轉移過程的轉移積分，並且透過模式分辨重組能的計算深入瞭解了電子-聲子耦合過程。研究結果顯示，整個體系具有顯著的電荷複合和異常短的S1和CT態壽命（≈14 ps）。在低S1–CT偏移量下，短S1壽命介導電荷複合，主要是因為：（1）從CT反向轉移到S1狀態，然後發生S1複合；（2）額外的S1–CT雜交降低CT壽命。此外，由於區域性電荷遷移率較低，可以觀察到電荷從CT狀態相對緩慢（數十皮秒）的離解。另一方面，透過將S1和CT壽命增加到150 ps，自由電荷產率可以從觀察到的12%增加到60%。另一方面，儘管壽命較短，但在減少介面CT態無序的同時增加自由電荷的體無序可以將產率提高到65%。

圖3：模擬函式計算

3.總結

綜上，該工作系統地研究了給受體共混物中的電子轉移過程中所產生的驅動力，為後續的工作奠定了非常紮實的理論基礎。相關研究成果現已發表在國際材料類頂級期刊《Advanced Materials》上，題為“Short Excited-State Lifetimes Mediate Charge-Recombination Losses in Organic Solar Cell Blends with Low Charge-Transfer Driving Force”。

本文關鍵詞：有機太陽能電池，富勒烯受體，電荷解離，電子轉移，P（DPP6DOT2-T），PC［70］BM。

4.材料

P（DPP6DOT2-T）

PC［70］BM：609771-63-3