魏志祥课题组在低驱动力有机太阳能电池的电荷产生机理方面取得重要进展

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近日，国家纳米科学中心朱凌云研究员、魏志祥研究员与中国科学院化学研究所易院平研究员合作，在低驱动力有机太阳能电池的电荷产生机理方面取得重要进展。相关研究成果以 “Small Exciton Binding Energies Enabling Direct Charge Photogeneration Towards Low-Driving-Force Organic Solar Cells”为题发表在《德国应用化学》杂志上（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, DOI: 10.1002/anie.202105156），被选为Hot paper。

图1：QM/EC方法考虑极化和离域效应计算获得的固相下的激子束缚能

图2：Y6和ITIC薄膜的变温光致发光光谱以及电荷分离与复合过程示意图

　　近年来，随着给体-受体-给体（A-D-A）型非富勒烯受体的发展，有机太阳能电池的性能得到显著提升。尤其是基于Y6及其衍生物受体的有机太阳能电池，其单结器件效率已超过18%。这种提高主要归功于在给/受体界面最高占据轨道（HOMO）能级差较小甚至接近于零时，窄带隙受体上的激子可由空穴转移通道高效地产生电荷载流子。然而，电荷产生的内在机理尚不明确。从根本上说，有机太阳能电池激子分离对界面驱动力的需求，归因于有机体系的激子束缚能。
　　在前期工作中，研究人员对系列非富勒烯体系计算发现，激子分离的驱动力与激子束缚能线性相关，为降低驱动力减小能量损失指明了方向（J. Phys. Chem. C 2018, 122, 22309）。进一步发展了自洽的量子力学/嵌入电荷方法（QM/EC）计算电子极化效应，实现从第一性原理水平上可靠评估静电作用和诱导效应，而且能够考虑分子堆积结构的影响。计算发现非富勒烯受体的激子束缚能与单晶中分子堆积结构密切相关，最小值甚至只有40 meV，打破了有机材料激子束缚能在0.3 eV以上的传统认识（J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 4888）。同时对具有不同晶相的有机光伏小分子受体研究证明，仅分子排列方式的差异确实可以大幅改变激子束缚能（J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 10227）。
　　在此基础上，研究人员结合理论和实验研究了Y6体系的激子束缚能。计算结果表明，由于紧密的三维分子堆积带来非常强的电子极化效应，固态Y6具有极小的激子束缚能。变温光致发光光谱测量表明，激子分离产生自由电荷载流子的能垒明显低于室温能量；而且，随着温度升高，电荷复合重新形成激子的几率增大，导致发光反而增强。因此，即使在没有给/受体界面驱动力的帮助下，得益于低的激子束缚能，纯的Y6薄膜在光激发后也能够直接自发地产生自由电荷载流子。该系列工作揭示了电子极化效应对减小有机体系激子束缚能的重要作用，提出了有机光伏自由电荷产生的新机理，为获得高效有机太阳能电池提供了一条新思路。
　　朱凌云研究员为该工作的第一作者，易院平研究员和魏志祥研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院战略性先导科技专项（B类）等项目的支持。
　　文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202105156。
        文章来源：国家纳米科学中心
        魏志祥，国家纳米科学中心研究员。男，1975年10月生，籍贯山东寿光。1997年获西安交通大学高分子材料专业学士学位。2000年获西安交通大学材料科学与工程硕士学位。2003年获中国科学院研究生院化学专业博士学位。2003-2004年在德国马普胶体界面所从事博士后研究。2005年在加拿大多伦多大学从事博士后研究。2006年至国家纳米科学中心工作，研究领域为有机光电材料的自组装与柔性器件。2010-2012年任国家纳米科学中心器件研究室副主任。2012-2014年任国家纳米科学中心器件研究室主任。2014年至2018年，任中国科学院纳米系统与多级次制造重点实验室副主任，国家纳米科学中心器件研究室主任。
       易院平，中科院化学所研究员。2002年本科毕业于中国科学技术大学，2008年博士毕业于中国科学院化学研究所，2008至2012年在美国佐治亚理工学院化学系进行博士后研究，2013年加入中科院化学所有机固体实验室，任研究员。从事有机功能材料光电性质的理论研究。已发表论文140余篇，论文总引次数超过3600次。