聚合物太阳电池中超快电荷转移机制的飞秒宽带瞬态光栅光谱研究

The ultrafast charge transfer process occurring in the polymer solar cells could directly influence the performance of solar cells, which owns important meaning. Recently, people realize that the ultrafast charge transfer process is closed to the physical characteristics of vibrational modes of chemical bonds in materials. The normal ultrafast spectroscopy techniques (transient absorption and time-resolved fluorescence technique) could not comprehensively offer the physical information of vibrational modes of chemical, but the “Broad band transient grating” technology could do this job. It could selectively build vibrational coherent wavepacket on the ground or the excited state of materials by using two pump pulses, scans the time-dependent evolution behavior of coherent wavepacket by using the third detection pulse, and finally offers the vibrational and coherent information of vibrational modes in coherent wavepacket. .In our project, we use polymer heterojunction photovoltaic performance as the reference standard and investigate the variance rule of vibrational and coherent characteristics of chemical bond in polymer by using broadband transient grating as main research tools, when ultrafast charge transfer process happens. We try to control the charge transfer process through changing the preparation method (temperature quenching, solvent quenching and introduction of additives), environment characteristics (temperature and electronic field) and chemical components (polymer and fullerene derivatives) and comprehensively understand the charge transfer mechanism supplemented by ultrafast transient absorption techniques to measure dynamic behavior of polymer heterojunction.

聚合物太阳电池中的超快电荷转移过程能够直接影响电池的性能，意义重大。近年来人们认识到超快的电荷转移过程与材料化学键振动模的物理特性关系密切。常用的超快光谱技术（瞬态吸收和时间分辨荧光）无法全面给出化学键振动模的物理信息，但“宽带瞬态光栅技术”可以胜任这项工作。它利用两束泵浦脉冲在材料的基态和激发态上选择构筑振动相干波包，再利用第三束探测脉冲扫描相干波包随时间的演变行为，最终给出相干波包内振动模的振动和相干信息。.本项目将以聚合物异质结的光伏性能为参考标准，以宽带瞬态光栅为主要研究手段，研究聚合物化学键的振动和相干特性在超快电荷转移过程中的变化规律。通过改变制备工艺（温度淬火，溶剂淬火或引入添加剂）、环境特性（温度和电场）和化学成份（改变聚合物和富勒烯衍生物的种类），尝试操控电荷转移过程；同时辅以瞬态吸收技术测量聚合物异质结的超快动力学行为，从而全面理解电荷转移机制。

项目的研究背景：. 太阳电池是在解决当前能源危机及环境污染方面具有巨大的潜力，因而成为国内外关注的核心和热点。而以聚合物异质结为活性层的电池具有低污染、易于制备、成本低廉等优点，已成为国际的研究热点。而聚合物太阳电池近年来进展迅速，这一方面依赖于新材料的出现和新结构的应用；另一方面人们对聚合物异质结当中的光物理和光化学过程（尤其是电荷转移过程）理解也不断深入。这两方面共同推动了聚合物太阳电池的不断进步和发展。国内虽然在器件制备和性能方面的研究建树颇多，但在异质结内的电荷转移机制方面的研究还较为不足。.主要研究内容和重要研究成果：.1..我们研究了多种有机光电信息材料的本征光物理特性，重点讨论了光诱导下的分子内电荷转移过程。比较了给受体基团、分子侧链和溶剂极性等因素对分子内电荷转移过程的调控机制。为后面研究分子间电荷转移机制奠定了前期的理论基础。.2..利用宽带瞬态光栅系统同时比较了MEH-PPV和MPEH-PPV/PCBM的瞬态吸收信号和瞬态光栅信号。前者证明了异质结中发生了激子解离后者证明了激子解离的同时还发生了相干转移，即激子的相干性经过解离后转移到了阳离子态上。这加深了人们对聚合物异质结中电荷转移过程的认识和理解.3..将非共轴光学参量放大器引入到瞬态光栅系统当中，将其输出的激光作为衍射光，获得了时间分辨相干反斯托克斯拉曼光谱系统，实现了对MEH-PPV中单激子无辐射能量耗散机制的研究，比较了共轭基团中的四种振动模在无辐射弛豫过程中的贡献。.科学意义. 第一，解析了多种有机光电低聚物的光物理机制，加深了分子内电荷转移机制的认识和理解；第二，证实了激子的相干性可以经激子解离转移到阳离子态上，拓宽了激子解离的认知；第三实现了相干反斯托克斯拉曼光谱系统，并证明该技术是在原子尺度上研究能量转移和电荷转移的有效研究工具。上述研究为今后进一步开展有机光电信息材料中激子动力学的研究奠定了实验基础。