中科院獲得高效有機(jī)太陽能電池新思路 低驅(qū)動力有機(jī)太陽能電池取得進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心研究員朱凌云、魏志祥與中科院化學(xué)研究所研究員易院平合作，在低驅(qū)動力有機(jī)太陽能電池的電荷產(chǎn)生機(jī)理方面取得進(jìn)展。

據(jù)介紹，在前期工作中，研究人員對系列非富勒烯體系計(jì)算發(fā)現(xiàn)，激子分離的驅(qū)動力與激子束縛能線性相關(guān)，為降低驅(qū)動力減小能量損失指明了方向(J. Phys. Chem. C2018, 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(J. Phys. Chem. Lett.2019, 10, 4888)。此外，對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。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)家 有機(jī)太陽能電池 思路 電池