新型有机太阳能电池杂化策略研究

在能源领域中， 太阳能拥有天然气、石油、煤炭等资源不具有的可再生特质，已经逐渐成为各个国家以及各研究机构用以突破经济发展瓶颈的一大战略性资源。

经过60年左右的时间发展，自太阳能电池从军事领域蔓延到民用家用等领域，电池效率从刚开始的不到1 % 发展到现如今的超过20%。时至如今，无机材料仍然作为太阳能电池的最主要原料，发挥着不可忽视的作用，但受制于原材料的价格以及来源。

基于制备简单、原料来源广泛、成本低廉等优势，有机材料已经在实验室中展现了替代无机材料的趋势，但由于有机材料的电荷迁移率低，非辐射复合导致的开路电压低等问题，一直使有机太阳能电池在性能上无法与无机太阳能电池媲美。

基于此现象，剑桥大学物理专家理查德·弗伦德，亚历山大 J. 吉列特， 加州大学圣巴巴拉分校化学与生物化学系教授Thuc-Quyen Nguyen以及蒙斯埃诺大学大卫·贝尔琼等人提出一种新型的杂化策略，通过识别确认和抑制非辐射损耗途径， 使有机太阳能电池的效率提高到20%以上成为可能。

理想的太阳能电池模型应该只通过辐射复合途径来转换能量，即获得100%的电致发光外量子效率（External QuantumEfficiency，EQE）。

但实际上，往往有多种非辐射复合途径影响了电池的性能，从而导致额外的电压损失。影响EQE的因素有光致发光效率和辐射衰减复合比例。通过改变两种因素，可以实现对太阳能电池转换效率的调控。

目前的大部分研究都是通过提高光致发光效率改善EQE，该论文通过改变辐射衰减比例提供了一条提高太阳能电池效率的新思路。

在有机太阳能电池中，自由电荷的复合过程是通过电荷转移激子的形成来进行的，要求供受体中的分子三重态的能量低于自旋三重态。因此发生从自旋三重态到分子三重态的反电荷转移是可能实现的。由图1所示，自旋分子三重态能够由两条路径生成：双生和非双生电荷载流子对。反之，通过反电荷转移生成分子三重态也能够由两条不同的机制产生。

论文以四种聚合物供体和七种非富勒烯受体为例，以其中两种材料为主要研究对象。

通过瞬态吸收和电子顺磁共振的一系列手段来解析不同太阳能电池材料的器件性能和电子分子三重态之间的关系，在材料PM6：Y6的瞬态吸收光谱图中，代表光诱导吸收带的1250纳米和1550纳米随着时间尺度的增加而逐渐消失，在1450纳米出现了新的光诱导吸收带，这是Y6的分子三重态特征吸收带。

瞬态吸收动力学显示了生成分子三重态过程中的通量依赖关系，表明分子三重态是由双分子机制生成。使用高通量激发的时候，非双晶复合过程迅速发生。通过图2的电子顺磁共振结果可知，PM6： Y6中存在非成对分子三重态。

在另一种不能检测到电荷转移激子产生分子三重态材料中，没有观察到光诱导吸收带的出现，且动力学测试没有发现通量依赖的现象。这说明不能检测到非成对分子三重态的重组途径。并且在其电子顺磁共振谱图中，观察到由自旋-轨道耦合介导的系间窜越形成的分子三重态。

文章用量化计算的方法深入研究了在分子三重态形成过程中供受体之间的分子间相互作用机制，在一定的范围内自旋单重态是稳定的，而自旋三重态不稳定。

由于S1比單重态具有更高的能量，且分子三重态比三重态能量低，会由于电荷转移和局域激子之间的杂化引起反转。由于最高占据分子轨道沿分子轴的垂直节点面序列相同，以及大量的分子重叠，造成配合物材料的电子耦合增强，进而引起了杂化，抑制了反电荷转移。

该文章通过论证分子三重态对额外电压损失的关键作用，提出了通过抑制分子三重态的形成过程，使自旋三重态和分子三重态杂化，进而减少电压损失的新思路。这条新方法的提出， 足以使得电池转换效率达到20%以上。