IT之家 6 月 12 日訊息 據中國科學院網站，近日，中國科學院國家納米科學中心研究員朱凌雲、魏志祥與中科院化學研究所研究員易院平合作，在低驅動力有機太陽能電池的電荷產生機理
2021-06-12 15:50:06
國家納米中心等低驅動力有機太陽能電池的電荷產生機理研究獲進展
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IT之家 6 月 12 日訊息 據中國科學院網站，近日，中國科學院國家納米科學中心研究員朱凌雲、魏志祥與中科院化學研究所研究員易院平合作，在低驅動力有機太陽能電池的電荷產生機理方面取得進展。
據介紹，在前期工作中，研究人員對系列非富勒烯體系計算髮現，激子分離的驅動力與激子束縛能線性相關，為降低驅動力減小能量損失指明瞭方向（J. Phys. Chem. C 2018, 122, 22309）。進一步發展了自洽的量子力學 / 嵌入電荷方法（QM/EC）計算電子極化效應，實現從第一性原理水平上可靠評估靜電作用和誘導效應，且能夠考慮分子堆積結構的影響。計算髮現非富勒烯受體的激子束縛能與單晶中分子堆積結構密切相關，最小值只有 40 meV，打破了有機材料激子束縛能在 0.3 eV 以上的傳統認識（J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 4888）。此外，對具有不同晶相的有機光伏小分子受體研究證明，僅分子排列方式的差異可以大幅改變激子束縛能（J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 10227）。
在此基礎上，研究人員結合理論和實驗研究了 Y6 體系的激子束縛能。計算結果表明，由於緊密的三維分子堆積帶來較強的電子極化效應，固態 Y6 具有極小的激子束縛能。變溫光致發光光譜測量表明，激子分離產生自由電荷載流子的能壘明顯低於室溫能量；隨著溫度升高，電荷複合重新形成激子的機率增大，導致發光反而增強。因此，即使在沒有給 / 受體介面驅動力的幫助下，得益於低的激子束縛能，純的 Y6 薄膜在光激發後也能夠直接自發地產生自由電荷載流子。該系列工作揭示出電子極化效應對減小有機體系激子束縛能的重要作用，提出了有機光伏自由電荷產生的新機理，為獲得高效有機太陽能電池提供了新思路。
IT之家瞭解到，相關研究成果以 Small Exciton Binding Energies Enabling Direct Charge Photogeneration Towards Low-Driving-Force Organic Solar Cells 為題，發表在《德國應用化學》雜誌上。
▲圖 1.QM/EC 方法考慮極化和離域效應計算獲得的固相下的激子束縛能 | 圖源：中國科學院網站
▲圖 2.Y6 和 ITIC 薄膜的變溫光致發光光譜以及電荷分離與複合過程示意圖
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