香港大学周慈勇教授和香港科大黄锦圣教授Adv. Funct. Mater.：非富勒烯有机光伏中温度相关电荷分离和复合动力学的量化

点击蓝字关注我们

柔性、半透明、可溶液加工的太阳能电池近年来备受瞩目。随着近年来效率高达 18% 的“非富勒烯”有机太阳能电池的出现，我们离实现廉价的第四代太阳能电池越来越近了。与传统基于富勒烯的有机太阳能电池不同，当前最先进的非富勒烯电池在体异质结的给体和受体材料间具有低能量差。这样的设计最大限度上减少了电压损失。然而，在缺少能量差作为的驱动力的情况下，电子-空穴对克服其相互库伦吸引力而分离的机理至今仍有争议。

香港大学周慈勇教授和香港科技大学黄锦圣教授实验组在Advanced Functional Materials上发表了工作“非富勒烯有机光伏中温度相关电荷分离和复合动力学的量化(Quantification of Temperature-Dependent Charge Separation and Recombination Dynamics in Non-fullerene Organic Photovoltaics)”。作者使用飞秒瞬态光谱定量研究 P3TEA:SF-PDI₂ 和 PM6:Y6 中电荷分离和复合动力学的温度依赖性。研究的两个非富勒烯有机光伏 (OPV) 系统均具有可忽略的电荷分离驱动力和高光电流量子产率。通过跟踪 P3TEA:SF-PDI₂ 中给体/受体界面电荷分离时产生的瞬态电吸收 (EA) 响应的强度，在室温下观察到的自由电荷生成速率常数约 2.4 x 10¹⁰ s^-1，存储在界面电荷对之间的平均能量约为230 meV。在 PM6:Y6 中同样观察到热能活化电荷分离，作者估测室温下该体系电荷分离速率更快，约为 5.5 x 10¹⁰ s^-1，这也与更高的器件效率一致。当两种体系都冷却到低温时，电荷分离率的降低导致在 D/A 界面或通过单线态激子发射的电荷复合增加。作者随后建立动力学模型，结果表明尽管光生电荷必须克服显着的库仑势才能产生自由载流子，但鉴于电荷的热解离率超过复合率，OPV 混合物可以实现高光电流产生率。

图1. 有机光伏系统中的电荷产生过程。（a）势能差很小的有机光伏系统中，电荷的分离过程。系统中的低能量局部激子(Ex)，和边界处的的电荷转移态激子(CTE)，因能量相似而发生杂化。在供体/受体的交界处，电荷转移态激子需要克服库伦力，热分离成自由电荷。未能成功分离的电荷会直接在边界处复合为基态，或通过激发态复合为基态。（b）分离的电子和空穴会产生一个偶极子电场，这个电场会使得材料的吸收谱出现Stark偏移。因此，系统的瞬态电致吸收谱（EA）会随电荷分离的过程产生响应。我们可通过测量此响应观测电荷的分离。（c）各材料的吸收谱（纯材料P3TEA, SF-PDI₂, PM6, Y6以及它们的混合）。（d）各材料的化学结构式，其中P3TEA、PM6为聚合物供体，SF-PDI₂、Y6为小分子受体。  
图2. 量化P3TEA:SF-PDI₂中的电荷产生过程。（a，b）归一后的P3TEA:SF-PDI2薄膜的瞬态吸收谱(TA), 测量于300 K 和10 K, 500 nm激发。系统的稳态电致吸收（EA）谱（绿色虚线）测量于一个电极结构的设备（加电压下）。我们可以发现稳态电致吸收谱与初始阶段系统的基态瞬时吸收谱的导数（黑色虚线）一致。（c）不同温度下，系统的电致吸收响应。响应数据从瞬态吸收数据中提取，并用设备的电致吸收强度校正。响应数据表现了电荷-空穴对分离时，偶极子电场中的储存能量。根据公式，可以拟合出电荷分离速率以及电荷对最大能量。小图内为两者随温度变化的关系。

图3. （a）不同温度下，P3TEA:SF-PDI₂薄膜的时间分辨光致发光（TRPL）光谱（710 nm激发，820 nm探测）。PL强度衰减速度会随温度降低而降低。（b）P3TEA:SF-PDI₂光伏设备的内量子产率（IQE）与图2中电荷对最大能量（瞬态吸收测量得到）的对比图。

图4. 用瞬态吸收光谱探究PM6:Y6系统中的电荷产生机理。（a）PM6:Y6系统的瞬态吸收光谱。在激发受体时（800 nm），10-100ps 时间段内，因为电荷的转移，供体的基态漂白（GSB）信号会增长，电荷分离态的光吸收(PA)信号也会增长。（b）不同温度下，770 nm处瞬态吸收谱的相应曲线。（c）不同温度下，PM6:Y6薄膜的时间分辨光致发光（TRPL）光谱。比较Y6薄膜和PM6:Y6薄膜的TRPL曲线，我们可以得到混合材料薄膜中的PL淬灭(1- ß)。（d）PL淬灭随温度变化曲线、设备EQE曲线的、电荷光吸收（PA）信号最大值的比较。低温时，PL淬灭变弱，设备的光电流变小，电荷光吸收信号也变小。

相关链接

https://doi.org/10.1002/adfm.202107157

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。