有機(jī)光伏電池中的超快電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程

:近日，瑞士伯爾尼大學(xué)的Natalie Banerji教授與國(guó)家納米科學(xué)中心的周二軍研究員合作在Nature Communications上發(fā)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(duì)非富勒烯受體體系中電荷驅(qū)動(dòng)力大小對(duì)本征電荷轉(zhuǎn)移速率的影響進(jìn)行了精細(xì)的探究，證實(shí)了本征電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程不論在何種形貌下都保持在亞皮秒（< 10^-12 秒）的超快速率。

（來(lái)源：微信公眾號(hào)“Nature自然科研”ID：Nature-Research）

圖1：不同異質(zhì)結(jié)體系中電荷轉(zhuǎn)移速率與電荷驅(qū)動(dòng)力大小的關(guān)系

有機(jī)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)是有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管、柔性?xún)?chǔ)能電池和有機(jī)光伏電池(Organic Photovoltaic, OPV)等光電子器件領(lǐng)域的關(guān)鍵組成部分。合理地選擇給體(Donor, D): 受體(Acceptor, A)異質(zhì)結(jié)，來(lái)調(diào)控其界面處的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，可以有效地提高器件的性能。對(duì)于OPV來(lái)說(shuō)，光生激子在D/A界面處由于靜電驅(qū)動(dòng)力的作用而發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，隨之分離為自由電荷，進(jìn)而產(chǎn)生光生電流。迄今為止，人們普遍認(rèn)為D/A界面處驅(qū)動(dòng)力的大小是決定電荷轉(zhuǎn)移快慢的關(guān)鍵因素，例如，一些報(bào)道稱(chēng)在一些聚合物: 非富勒烯受體(Nonfullerene acceptor, NFA)體系中觀測(cè)到電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程減慢（皮秒級(jí)別），作者將其歸因于驅(qū)動(dòng)力較低。然而，由于條件制約，這些研究中都存在兩點(diǎn)不足：一是由于復(fù)雜的納米尺度的共混薄膜形貌的存在，激子擴(kuò)散行為對(duì)測(cè)量有干擾，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電荷轉(zhuǎn)移速率無(wú)法準(zhǔn)確地反映D/A界面處的過(guò)程；二是研究人員沒(méi)有對(duì)NFA體系中共存的電子轉(zhuǎn)移(Electron transfer)和空穴轉(zhuǎn)移(Hole transfer)兩種電荷產(chǎn)生渠道進(jìn)行區(qū)分，而不同的驅(qū)動(dòng)力對(duì)應(yīng)不同的速率。因此，排除共混薄膜形貌影響，得到本征的電荷轉(zhuǎn)移速率和驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系至關(guān)重要。

近年來(lái)得益于NFA的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)在越來(lái)越多的聚合物: NFA體系中即便驅(qū)動(dòng)力很小甚至接近零的情況下，仍然可以發(fā)生高效的電荷產(chǎn)生，這對(duì)同時(shí)提高OPV的開(kāi)路電壓(Open-circuit voltage, VOC)和短路電流(Short-circuit current, JSC)，進(jìn)而進(jìn)一步提升器件的能量轉(zhuǎn)換效率（Power conversion efficiency, PCE至關(guān)重要。那么，非富勒烯體系中低驅(qū)動(dòng)力對(duì)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程究竟會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響，是一個(gè)無(wú)法避開(kāi)的研究課題。

Natalie Banerji教授與周二軍研究員通過(guò)仔細(xì)篩選，選取了驅(qū)動(dòng)力僅有0.12 eV且能制備高效率器件的J61:m-ITIC材料組合，設(shè)計(jì)了三種器件結(jié)構(gòu)（給受體質(zhì)量比為1:1的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(Bulk heterojunction, BHJ)，5:1的稀釋本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)）以排除形貌依賴(lài)的激子擴(kuò)散對(duì)本征電荷轉(zhuǎn)移速率的影響，通過(guò)瞬態(tài)吸收光譜(Transient absorption)的表征和分析，證實(shí)了本征電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程不論在何種形貌下都保持在亞皮秒的超快速率。此外，進(jìn)一步研究多種具有不同驅(qū)動(dòng)力的聚合物:m-ITIC體系發(fā)現(xiàn)，電子轉(zhuǎn)移速率都保持在<60 fs（1fs = 10^-15s）量級(jí)，但空穴轉(zhuǎn)移速率與驅(qū)動(dòng)力存在明顯的正相關(guān)。但是，在驅(qū)動(dòng)力低至0.05 eV的體系中，空穴轉(zhuǎn)移過(guò)程雖然比電子轉(zhuǎn)移慢的多，卻仍然保持在亞皮秒的超快速率。該結(jié)果對(duì)于理解并打破開(kāi)路電壓和短路電流之間的制約提供了新的機(jī)會(huì)，同時(shí)也表明，在后續(xù)的OPV研究中，對(duì)新材料的開(kāi)發(fā)可能比形貌調(diào)控更為重要。

原標(biāo)題:有機(jī)光伏電池中的超快電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程｜Nature Communications