Energy Environ. Sci.: 全小分子太阳能电池的动力学研究

【引言】

近期以来，可溶全小分子有机太阳能电池（OSC）在提高器件稳定性和光电效率方面已经取得了显著进展。然而，目前对这类材料光致动力学的了解非常有限，为了能充分利用小分子化学本身的设计优势，详细了解激子解离的动力学以及竞争过程的速率和产率是极有必要的。

【成果简介】

 最近，西班牙马德里高级研究院Larry Lüer等与德国图宾根大学和首尔国立大学的研究人员利用实验与计算相结合的方法研究了一个典型的全小分子的、由p-DTS(FBTTh₂)₂作给体、NIDCS-MO作受体的共混物的光致激发动力学。该研究发表于Energy & Environmental Science，题为“Designing high performance all-small-molecule solar cells with non-fullerene acceptors: comprehensive studies on photoexcitation dynamics and charge separation kinetics”。该研究结果证明了体系中发现了高的内量子产率和开路电压，预测通过降低给体和受体间的电子耦合可以实现高效稳定的低光学带隙；同时阐述了作为聚合物OSC中的关键因素的离域态与激子扩散的作用，量化了主要损耗通道与加工条件的函数关系。

 【图文导读】

 图1. 化学结构和前线分子轨道与光谱信息

（a）p-DTS(FBTTh₂)₂和NIDCS-MO的化学结构以及DFT优化结构的前线分子轨道；

（b）样品的吸收光谱与PL光谱；

顶图和中图：在溶液（氯仿;虚线表示）和铸态旋涂薄膜（实线）中的纯p-DTS(FBTTh₂)₂（顶图）和NIDCS-MO（中图）吸收谱（蓝色）和PL光谱（红色）（黑色虚线为薄膜退火的PL光谱）；

底图：退火前后的共混膜; 品红色为铸态的吸收谱，绿色为退火的吸收谱，红色为PL光谱。

图2. 共混薄膜与单一组分薄膜的吸收光谱

（a）p-DTS(FBTTh₂)₂（以D表示）与NIDCS-MO （以A表示）1:1比例共混的薄膜吸收光谱，品红色代表退火前，绿色代表退火后；

（b）铸态D:A薄膜的吸收谱，减去纯A膜的光谱，以黑色的虚线表示，为方便比较，纯D膜以蓝色实线表示；

（c）退火的D:A膜的吸收谱，其中减去纯D膜的光谱（黑色虚线），纯A膜以红色实线对比显示。

图3. 飞秒TA光谱与TA动力学

（a）在620nm处纯给体(D)膜的飞秒TA光谱；

（b）在510nm处纯受体(A)膜的飞秒TA光谱；

（c）数值点代表在探测能量ωpr = 1.03 eV时，给出的泵能接近曲线时的TA动力学；

（d）在1.3 eV处探测受体薄膜的结果。

图4. 铸态和退火共混物的飞秒TA光谱与动力学

（a）和（b）分别为铸态的和退火共混物的飞秒TA光谱；点代表实验数据，线代表kCT作为唯一的自由动力学参数情况下全局拟合的目标分析；

（c）在实线和虚线分别代表的铸态的和退火共混物的太阳能强度下，黑色和红色曲线分表代表单重态和电荷分离态的动力学；

不考虑双重复合的条件下，载流子的近似值在一段时间后达到φ_CS。

图5. 电荷转移速率、电荷重组速率和自由载流子产率

使用文中的等式计算的电荷转移（CT）速率、电荷重组（CR）速率和自由载流子产率φ_fc；

参数：E_opt = 1.77 eV，λ_v= 0.12 eV，μ_e= μ_h= 10^-4cm²V^-1s^-1，k_q= 10¹⁰s^-1，T= 298K，计算细节参见ESI 的G部分。

【小结】

该工作研究了可溶的全小分子体异质结光伏共混的原型实例中的光致激发动力学，由于其互补的D:A吸收光谱，提供了一个“理想”体系，从而可以独立研究D-激发和A-激发。在半经验的Marcus电子传递理论下，此项研究证明了给体和受体部分间的弱电子耦合是在小分子体系中实现高效电荷分离的关键。这些结果为发展具有较低光学带隙的全小分子OSC奠定了基础。

文献链接： 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)

本文由材料人计算材料组Annay供稿，材料牛整理编辑。

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