近年來，隨著給體-受體-給體(A-D-A)型非富勒烯受體的發(fā)展，有機(jī)太陽能電池的性能得到顯著提升，尤其是基于Y6及其衍生物受體的有機(jī)太陽能電池，其單結(jié)器件效率已超過18%。這種提高主要?dú)w功于在給/受體界面最高占據(jù)軌道(HOMO)能級(jí)差較小甚至接近于零時(shí)，窄帶隙受體上的激子可由空穴轉(zhuǎn)移通道高效地產(chǎn)生電荷載流子。然而，電荷產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理尚不明確。從根本上說，有機(jī)太陽能電池激子分離對(duì)界面驅(qū)動(dòng)力的需求，歸因于有機(jī)體系的激子束縛能。
在前期工作中，研究人員對(duì)系列非富勒烯體系計(jì)算發(fā)現(xiàn)，激子分離的驅(qū)動(dòng)力與激子束縛能線性相關(guān)，為降低驅(qū)動(dòng)力減小能量損失指明了方向(J. Phys. Chem. C 2018, 122, 22309)。進(jìn)一步發(fā)展了自洽的量子力學(xué)/嵌入電荷方法(QM/EC)計(jì)算電子極化效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)從第一性原理水平上可靠評(píng)估靜電作用和誘導(dǎo)效應(yīng)，且能夠考慮分子堆積結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算發(fā)現(xiàn)非富勒烯受體的激子束縛能與單晶中分子堆積結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，最小值只有40 meV，打破了有機(jī)材料激子束縛能在0.3 eV以上的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)(J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 4888)。此外，對(duì)具有不同晶相的有機(jī)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(chǔ)上，研究人員結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)研究了Y6體系的激子束縛能。計(jì)算結(jié)果表明，由于緊密的三維分子堆積帶來較強(qiáng)的電子極化效應(yīng)，固態(tài)Y6具有極小的激子束縛能。變溫光致發(fā)光光譜測量表明，激子分離產(chǎn)生自由電荷載流子的能壘明顯低于室溫能量;隨著溫度升高，電荷復(fù)合重新形成激子的幾率增大，導(dǎo)致發(fā)光反而增強(qiáng)。因此，即使在沒有給/受體界面驅(qū)動(dòng)力的幫助下，得益于低的激子束縛能，純的Y6薄膜在光激發(fā)后也能夠直接自發(fā)地產(chǎn)生自由電荷載流子。該系列工作揭示出電子極化效應(yīng)對(duì)減小有機(jī)體系激子束縛能的重要作用，提出了有機(jī)光伏自由電荷產(chǎn)生的新機(jī)理，為獲得高效有機(jī)太陽能電池提供了新思路。
朱凌云為論文第一作者，易院平和魏志祥為論文通訊作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)等的支持。
圖1.QM/EC方法考慮極化和離域效應(yīng)計(jì)算獲得的固相下的激子束縛能
圖2.Y6和ITIC薄膜的變溫光致發(fā)光光譜以及電荷分離與復(fù)合過程示意圖
