有機光伏電池中的超快電荷轉移過程|Nature Communications

2020-12-05 科學網
有機光伏電池中的超快電荷轉移過程｜Nature Communications

論文標題：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

發表時間：2020/02/11

數字識別碼：10.1038/s41467-020-14549-w

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近日，瑞士伯爾尼大學的Natalie Banerji教授與國家納米科學中心的周二軍研究員合作在Nature Communications上發表題為"Sub-Picosecond Charge-Transfer at Near-Zero Driving Force in Polymer:Non-Fullerene Acceptor Blends and Bilayers" 的研究論文。該研究針對非富勒烯受體體系中電荷驅動力大小對本徵電荷轉移速率的影響進行了精細的探究，證實了本徵電荷轉移過程不論在何種形貌下都保持在亞皮秒（< 10^-12 秒）的超快速率。

不同異質結體系中電荷轉移速率與電荷驅動力大小的關係

有機半導體異質結是有機場效應電晶體、柔性儲能電池和有機光伏電池(Organic Photovoltaic, OPV)等光電子器件領域的關鍵組成部分。合理地選擇給體(Donor, D): 受體(Acceptor, A)異質結，來調控其界面處的動力學過程，可以有效地提高器件的性能。對於OPV來說，光生激子在D/A界面處由於靜電驅動力的作用而發生電荷轉移，隨之分離為自由電荷，進而產生光生電流。迄今為止，人們普遍認為D/A界面處驅動力的大小是決定電荷轉移快慢的關鍵因素，例如，一些報導稱在一些聚合物: 非富勒烯受體(Nonfullerene acceptor, NFA)體系中觀測到電荷轉移過程減慢（皮秒級別），作者將其歸因於驅動力較低。然而，由於條件制約，這些研究中都存在兩點不足：一是由於複雜的納米尺度的共混薄膜形貌的存在，激子擴散行為對測量有幹擾，導致實驗測得的電荷轉移速率無法準確地反映D/A界面處的過程；二是研究人員沒有對NFA體系中共存的電子轉移(Electron transfer)和空穴轉移(Hole transfer)兩種電荷產生渠道進行區分，而不同的驅動力對應不同的速率。因此，排除共混薄膜形貌影響，得到本徵的電荷轉移速率和驅動力之間的關係至關重要。

近年來得益於NFA的發展，人們發現在越來越多的聚合物: NFA體系中即便驅動力很小甚至接近零的情況下，仍然可以發生高效的電荷產生，這對同時提高OPV的開路電壓(Open-circuit voltage, VOC)和短路電流(Short-circuit current, JSC)，進而進一步提升器件的能量轉換效率（Power conversion efficiency, PCE至關重要。那麼，非富勒烯體系中低驅動力對電荷轉移過程究竟會產生怎樣的影響，是一個無法避開的研究課題。

Natalie Banerji教授與周二軍研究員通過仔細篩選，選取了驅動力僅有0.12 eV且能製備高效率器件的J61:m-ITIC材料組合，設計了三種器件結構（給受體質量比為1:1的本體異質結結構(Bulk heterojunction, BHJ)，5:1的稀釋本體異質結結構和雙層結構）以排除形貌依賴的激子擴散對本徵電荷轉移速率的影響，通過瞬態吸收光譜(Transient absorption)的表徵和分析，證實了本徵電荷轉移過程不論在何種形貌下都保持在亞皮秒的超快速率。此外，進一步研究多種具有不同驅動力的聚合物:m-ITIC體系發現，電子轉移速率都保持在<60 fs（1fs = 10^-15s）量級，但空穴轉移速率與驅動力存在明顯的正相關。但是，在驅動力低至0.05 eV的體系中，空穴轉移過程雖然比電子轉移慢的多，卻仍然保持在亞皮秒的超快速率。該結果對於理解並打破開路電壓和短路電流之間的制約提供了新的機會，同時也表明，在後續的OPV研究中，對新材料的開發可能比形貌調控更為重要。

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.

（來源：科學網）

 

 

 

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