非富勒烯有机太阳能电池中的空穴转移

近年来随着有机光伏材料与器件的蓬勃发展，有机光伏器件的光电转换效率已突破17%。非富勒烯受体材料的兴起是推动光伏器件性能进一步提高的关键，然而基于高性能“受体-给体-受体”结构的非富勒烯受体空穴转移机制的研究较少。近日，山东大学郝晓涛（点击查看介绍）团队系统地研究了多时间尺度下非富勒烯有机太阳能电池薄膜中空穴转移过程。

非富勒烯材料因其高消光系数、能带可调等优势而受到关注，然而材料光学带隙和有机太阳能电池的开路电压等问题限制了器件效率的进一步突破。传统有机太阳能电池中存在的较高能量损耗起源于有机半导体固有的低介电常数，需要额外的驱动力促使光生激子解离。而对于非富勒烯有机太阳能电池，给体和受体之间的能量偏移接近零时仍然可以实现较高的器件性能，这意味着不需要大的能量偏移驱动激子解离。目前对非富勒烯受体空穴转移过程理解不够清晰，相关物理图像如受体激子解离、空穴转移等仍较为模糊，激发态动力学与能级偏移之间等关键因素之间的联系缺乏定量研究，这极大的限制了该领域的进一步发展。

郝晓涛团队利用超快光谱和阻抗分析等手段研究了5种非富勒烯受体向同一聚合物给体空穴转移过程。不同的最高占据分子轨道能量偏移（ΔE_H）（0.05-0.43 eV）有助于定量关联能级差驱动力与受体激子解离过程。实验证明了超快空穴转移过程发生在低ΔEH体系，证明了受体中电子-空穴对弱束缚性。

电容频谱、时间分辨光致发光光谱以及密度泛函理论计算证实了受体激子离域性。此外相对于空穴传输速率，空穴传输效率是影响器件性能的关键因素。该工作深入理解了非富勒烯有机太阳能电池中受体激子解离、空穴转移等光物理过程，完善了非富勒烯有机太阳能电池中空穴转移机制。对于非富勒烯有机太阳能电池中抑制能量损失、提高开路电压等有着至关重要的影响。

这一成果近期发表在The Journal of Physical Chemistry Letters 上，山东大学博士研究生牛梦思为该文章第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Hole Transfer Originating from Weakly Bound Exciton Dissociation in Acceptor-Donor-Acceptor Nonfullerene Organic Solar Cells

Meng-Si Niu, Kang-Wei Wang, Xiao-Yu Yang, Peng-Qing Bi, Kang-Ning Zhang, Xian-Jin Feng, Fei Chen, Wei Qin, Jian-Long Xia, Xiao-Tao Hao*

J. Phys. Chem. Lett., 2019, 10, 7100-7106, DOI:10.1021/acs.jpclett.9b02837

郝晓涛教授简介

郝晓涛，理学博士，教授、博士生导师，现任山东大学物理学院副院长。英国物理学会会士(Fellow of IOP, FInstP)，晶体材料国家重点实验室固定成员，入选首批国家高层次青年人才计划。目前担任国际薄膜学会Thin Films Society区域副主席(Regional Vice President)，墨尔本大学名誉研究员(Honorary Fellow)，山东物理学会常务理事，山东省光学工程学会常务理事，澳大利亚皇家化学学会特许化学家会员，Scientific Reports、3D Research (Springer)等学术期刊编委，中国化学快报、中国化学等学术期刊青年编委。主要研究方向为低维有机半导体物理、有机太阳能电池、超快光谱学等。近年来，作为项目负责人先后主持国家、省部级科研项目10余项。在国际学术期刊上发表论文120余篇。获得国际发明专利授权3项，国内发明专利授权2项。在国际、国内学术会议做主旨报告、邀请报告30余次。曾获日本学术振兴会研究奖励基金(JSPS Fellowship)、日本化学会CSJ Distinguished Lectureship Award、山东大学“我心目中的好导师”等奖励和荣誉称号。

郝晓涛

https://www.x-mol.com/university/faculty/68257

课题组网址

http://faculty.sdu.edu.cn/haoxiaotao/zh_CN/index.htm