有机光伏电池中的超快电荷转移过程｜Nature Communications

　　 论文标题：Sub-picosecond charge-transfer at near-zero driving force in polymer:non-fullerene acceptor blends and bilayers

　　 期刊：Nature Communications

　　 作者：Yufei Zhong, Martina Causa’ et.al

　　 发表时间：2020/02/11

　　 数字识别码：10.1038/s41467-020-14549-w

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　　 近日，瑞士伯尔尼大学的Natalie Banerji教授与国家纳米科学中心的周二军研究员合作在Nature Communications上发表题为"Sub-Picosecond Charge-Transfer at Near-Zero Driving Force in Polymer:Non-Fullerene Acceptor Blends and Bilayers" 的研究论文。该研究针对非富勒烯受体体系中电荷驱动力大小对本征电荷转移速率的影响进行了精细的探究，证实了本征电荷转移过程不论在何种形貌下都保持在亚皮秒（< 10^-12 秒）的超快速率。

不同异质结体系中电荷转移速率与电荷驱动力大小的关系

　　 有机半导体异质结是有机场效应晶体管、柔性储能电池和有机光伏电池(Organic Photovoltaic, OPV)等光电子器件领域的关键组成部分。合理地选择给体(Donor, D): 受体(Acceptor, A)异质结，来调控其界面处的动力学过程，可以有效地提高器件的性能。对于OPV来说，光生激子在D/A界面处由于静电驱动力的作用而发生电荷转移，随之分离为自由电荷，进而产生光生电流。迄今为止，人们普遍认为D/A界面处驱动力的大小是决定电荷转移快慢的关键因素，例如，一些报道称在一些聚合物: 非富勒烯受体(Nonfullerene acceptor, NFA)体系中观测到电荷转移过程减慢（皮秒级别），作者将其归因于驱动力较低。然而，由于条件制约，这些研究中都存在两点不足：一是由于复杂的纳米尺度的共混薄膜形貌的存在，激子扩散行为对测量有干扰，导致实验测得的电荷转移速率无法准确地反映D/A界面处的过程；二是研究人员没有对NFA体系中共存的电子转移(Electron transfer)和空穴转移(Hole transfer)两种电荷产生渠道进行区分，而不同的驱动力对应不同的速率。因此，排除共混薄膜形貌影响，得到本征的电荷转移速率和驱动力之间的关系至关重要。

　　 近年来得益于NFA的发展，人们发现在越来越多的聚合物: NFA体系中即便驱动力很小甚至接近零的情况下，仍然可以发生高效的电荷产生，这对同时提高OPV的开路电压(Open-circuit voltage, VOC)和短路电流(Short-circuit current, JSC)，进而进一步提升器件的能量转换效率（Power conversion efficiency, PCE至关重要。那么，非富勒烯体系中低驱动力对电荷转移过程究竟会产生怎样的影响，是一个无法避开的研究课题。

　　 Natalie Banerji教授与周二军研究员通过仔细筛选，选取了驱动力仅有0.12 eV且能制备高效率器件的J61:m-ITIC材料组合，设计了三种器件结构（给受体质量比为1:1的本体异质结结构(Bulk heterojunction, BHJ)，5:1的稀释本体异质结结构和双层结构）以排除形貌依赖的激子扩散对本征电荷转移速率的影响，通过瞬态吸收光谱(Transient absorption)的表征和分析，证实了本征电荷转移过程不论在何种形貌下都保持在亚皮秒的超快速率。此外，进一步研究多种具有不同驱动力的聚合物:m-ITIC体系发现，电子转移速率都保持在<60 fs（1fs = 10^-15s）量级，但空穴转移速率与驱动力存在明显的正相关。但是，在驱动力低至0.05 eV的体系中，空穴转移过程虽然比电子转移慢的多，却仍然保持在亚皮秒的超快速率。该结果对于理解并打破开路电压和短路电流之间的制约提供了新的机会，同时也表明，在后续的OPV研究中，对新材料的开发可能比形貌调控更为重要。

摘要：Organic photovoltaics based on non-fullerene acceptors (NFAs) show record efficiency of 16 to 17% and increased photovoltage owing to the low driving force for interfacial charge-transfer. However, the low driving force potentially slows down charge generation, leading to a tradeoff between voltage and current. Here, we disentangle the intrinsic charge-transfer rates from morphology-dependent exciton diffusion for a series of polymer:NFA systems. Moreover, we establish the influence of the interfacial energetics on the electron and hole transfer rates separately. We demonstrate that charge-transfer timescales remain at a few hundred femtoseconds even at near-zero driving force, which is consistent with the rates predicted by Marcus theory in the normal region, at moderate electronic coupling and at low re-organization energy. Thus, in the design of highly efficient devices, the energy offset at the donor:acceptor interface can be minimized without jeopardizing the charge-transfer rate and without concerns about a current-voltage tradeoff.

　　 （来源：科学网）

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