Energy Environ. Sci.: 全小分子太陽能電池的動力學研究

【引言】

近期以來，可溶全小分子有機太陽能電池（OSC）在提高器件穩定性和光電效率方面已經取得了顯著進展。然而，目前對這類材料光致動力學的了解非常有限，為了能充分利用小分子化學本身的設計優勢，詳細了解激子解離的動力學以及競爭過程的速率和產率是極有必要的。

【成果簡介】

?最近，西班牙馬德里高級研究院Larry Lüer等與德國圖賓根大學和首爾國立大學的研究人員利用實驗與計算相結合的方法研究了一個典型的全小分子的、由p-DTS(FBTTh₂)₂作給體、NIDCS-MO作受體的共混物的光致激發動力學。該研究發表于Energy & Environmental Science，題為“Designing high performance all-small-molecule solar cells with non-fullerene acceptors: comprehensive studies on photoexcitation dynamics and charge separation kinetics”。該研究結果證明了體系中發現了高的內量子產率和開路電壓，預測通過降低給體和受體間的電子耦合可以實現高效穩定的低光學帶隙；同時闡述了作為聚合物OSC中的關鍵因素的離域態與激子擴散的作用，量化了主要損耗通道與加工條件的函數關系。

?【圖文導讀】

?圖1. 化學結構和前線分子軌道與光譜信息

（a）p-DTS(FBTTh₂)₂和NIDCS-MO的化學結構以及DFT優化結構的前線分子軌道；

（b）樣品的吸收光譜與PL光譜；

頂圖和中圖：在溶液（氯仿;虛線表示）和鑄態旋涂薄膜（實線）中的純p-DTS(FBTTh₂)₂（頂圖）和NIDCS-MO（中圖）吸收譜（藍色）和PL光譜（紅色）（黑色虛線為薄膜退火的PL光譜）；

底圖：退火前后的共混膜; 品紅色為鑄態的吸收譜，綠色為退火的吸收譜，紅色為PL光譜。

圖2. 共混薄膜與單一組分薄膜的吸收光譜

（a）p-DTS(FBTTh₂)₂（以D表示）與NIDCS-MO （以A表示）1:1比例共混的薄膜吸收光譜，品紅色代表退火前，綠色代表退火后；

（b）鑄態D:A薄膜的吸收譜，減去純A膜的光譜，以黑色的虛線表示，為方便比較，純D膜以藍色實線表示；

（c）退火的D:A膜的吸收譜，其中減去純D膜的光譜（黑色虛線），純A膜以紅色實線對比顯示。

圖3. 飛秒TA光譜與TA動力學

（a）在620nm處純給體(D)膜的飛秒TA光譜；

（b）在510nm處純受體(A)膜的飛秒TA光譜；

（c）數值點代表在探測能量ωpr = 1.03 eV時，給出的泵能接近曲線時的TA動力學；

（d）在1.3 eV處探測受體薄膜的結果。

圖4. 鑄態和退火共混物的飛秒TA光譜與動力學

（a）和（b）分別為鑄態的和退火共混物的飛秒TA光譜；點代表實驗數據，線代表kCT作為唯一的自由動力學參數情況下全局擬合的目標分析；

（c）在實線和虛線分別代表的鑄態的和退火共混物的太陽能強度下，黑色和紅色曲線分表代表單重態和電荷分離態的動力學；

不考慮雙重復合的條件下，載流子的近似值在一段時間后達到φ_CS。

圖5. 電荷轉移速率、電荷重組速率和自由載流子產率

使用文中的等式計算的電荷轉移（CT）速率、電荷重組（CR）速率和自由載流子產率φ_fc；

參數：E_opt = 1.77 eV，λ_v= 0.12 eV，μ_e= μ_h= 10^-4cm²V^-1s^-1，k_q= 10¹⁰s^-1，T= 298K，計算細節參見ESI 的G部分。

【小結】

該工作研究了可溶的全小分子體異質結光伏共混的原型實例中的光致激發動力學，由于其互補的D:A吸收光譜，提供了一個“理想”體系，從而可以獨立研究D-激發和A-激發。在半經驗的Marcus電子傳遞理論下，此項研究證明了給體和受體部分間的弱電子耦合是在小分子體系中實現高效電荷分離的關鍵。這些結果為發展具有較低光學帶隙的全小分子OSC奠定了基礎。

文獻鏈接： Designing high performance all-small-molecule solar cells with non-fullerene acceptors: comprehensive studies on photoexcitation dynamics and charge separation kinetics (Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C7EE02967E)

本文由材料人計算材料組Annay供稿，材料牛整理編輯。

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