新型有機太陽能電池雜化策略研究

在能源領域中， 太陽能擁有天然氣、石油、煤炭等資源不具有的可再生特質，已經逐漸成為各個國家以及各研究機構用以突破經濟發展瓶頸的一大戰略性資源。

經過60年左右的時間發展，自太陽能電池從軍事領域蔓延到民用家用等領域，電池效率從剛開始的不到1 % 發展到現如今的超過20%。時至如今，無機材料仍然作為太陽能電池的最主要原料，發揮著不可忽視的作用，但受制于原材料的價格以及來源。

基于制備簡單、原料來源廣泛、成本低廉等優勢，有機材料已經在實驗室中展現了替代無機材料的趨勢，但由于有機材料的電荷遷移率低，非輻射復合導致的開路電壓低等問題，一直使有機太陽能電池在性能上無法與無機太陽能電池媲美。

基于此現象，劍橋大學物理專家理查德·弗倫德，亞歷山大 J. 吉列特， 加州大學圣巴巴拉分校化學與生物化學系教授Thuc-Quyen Nguyen以及蒙斯埃諾大學大衛·貝爾瓊等人提出一種新型的雜化策略，通過識別確認和抑制非輻射損耗途徑， 使有機太陽能電池的效率提高到20%以上成為可能。

理想的太陽能電池模型應該只通過輻射復合途徑來轉換能量，即獲得100%的電致發光外量子效率（External QuantumEfficiency，EQE）。

但實際上，往往有多種非輻射復合途徑影響了電池的性能，從而導致額外的電壓損失。影響EQE的因素有光致發光效率和輻射衰減復合比例。通過改變兩種因素，可以實現對太陽能電池轉換效率的調控。

目前的大部分研究都是通過提高光致發光效率改善EQE，該論文通過改變輻射衰減比例提供了一條提高太陽能電池效率的新思路。

在有機太陽能電池中，自由電荷的復合過程是通過電荷轉移激子的形成來進行的，要求供受體中的分子三重態的能量低于自旋三重態。因此發生從自旋三重態到分子三重態的反電荷轉移是可能實現的。由圖1所示，自旋分子三重態能夠由兩條路徑生成：雙生和非雙生電荷載流子對。反之，通過反電荷轉移生成分子三重態也能夠由兩條不同的機制產生。

論文以四種聚合物供體和七種非富勒烯受體為例，以其中兩種材料為主要研究對象。

通過瞬態吸收和電子順磁共振的一系列手段來解析不同太陽能電池材料的器件性能和電子分子三重態之間的關系，在材料PM6：Y6的瞬態吸收光譜圖中，代表光誘導吸收帶的1250納米和1550納米隨著時間尺度的增加而逐漸消失，在1450納米出現了新的光誘導吸收帶，這是Y6的分子三重態特征吸收帶。

瞬態吸收動力學顯示了生成分子三重態過程中的通量依賴關系，表明分子三重態是由雙分子機制生成。使用高通量激發的時候，非雙晶復合過程迅速發生。通過圖2的電子順磁共振結果可知，PM6： Y6中存在非成對分子三重態。

在另一種不能檢測到電荷轉移激子產生分子三重態材料中，沒有觀察到光誘導吸收帶的出現，且動力學測試沒有發現通量依賴的現象。這說明不能檢測到非成對分子三重態的重組途徑。并且在其電子順磁共振譜圖中，觀察到由自旋-軌道耦合介導的系間竄越形成的分子三重態。

文章用量化計算的方法深入研究了在分子三重態形成過程中供受體之間的分子間相互作用機制，在一定的范圍內自旋單重態是穩定的，而自旋三重態不穩定。

由于S1比單重態具有更高的能量，且分子三重態比三重態能量低，會由于電荷轉移和局域激子之間的雜化引起反轉。由于最高占據分子軌道沿分子軸的垂直節點面序列相同，以及大量的分子重疊，造成配合物材料的電子耦合增強，進而引起了雜化，抑制了反電荷轉移。

該文章通過論證分子三重態對額外電壓損失的關鍵作用，提出了通過抑制分子三重態的形成過程，使自旋三重態和分子三重態雜化，進而減少電壓損失的新思路。這條新方法的提出， 足以使得電池轉換效率達到20%以上。