圆偏振光调控聚合物太阳能电池内激子自旋态的机理研究

As an important direction of developing green renewable energy, polymer solar cells still face the problem of low photoelectric conversion efficiency. One of the important reasons for this low efficiency comes from the energy loss caused by the radiation attenuation of singlet excitons. Therefore, using the external field to manipulate the spin state of excitons to promote the singlet-to-triplet exciton conversion is one of the ideas to solve the problem. This goal was initially achieved by applying an external magnetic field. Recently, one all-optical manipulating scheme without magnetic field, that is, the idea of using circularly polarized light excitation to improve the triplet exciton yield has been preliminarily verified experimentally, however, with the micro-mechanism still not clear. This project will establish quantum mechanical models for this phenomenon, and use the multi-configuration time-dependent Hartree-Fock method and the Floquet theory to study the dynamical evolutions of the polymer electronic state under the irradiation of circularly polarized light. The contents include: (1) to reveal the microscopic process of generating triplet excitons by circularly polarized light excitation, and to reveal the influence of incident light characteristics and material photoelectric properties on the singlet/triplet exciton yield; (2) to study the mechanism of interaction between the terahertz-frequency circularly polarized light and excitons/interface charge transfer states, discussing the feasibility of using terahertz technology to improve photoelectric conversion efficiency. The results of this project will provide a solid theoretical basis for further exploration to improve the performance of polymer solar cells in the all-optical manner.

聚合物太阳能电池作为发展绿色新能源的重要方向仍面临光电转化效率较低的问题。其原因之一来自于光生单重态激子的辐射衰减所造成的能量损耗。利用外场调控激子自旋，促使单重态激子向不易辐射衰减的三重态激子转化是解决该问题的思路之一。该目标最初多以施加外磁场的方式实现。最近，一种无需磁场的全光调控方案，即利用圆偏振光提高三重态激子比例的设想由实验证实，而其微观机理仍未明确。本项目拟针对此问题建立量子力学模型，利用多组态含时Hartree-Fock方法和Floquet理论研究聚合物电子态在圆偏振光入射下的动力学演化过程。内容包括：（1）圆偏振光激励生成三重态激子的微观过程，揭示入射光参数及材料光电性质对单/三重态激子产率的影响；（2）研究太赫兹频率圆偏振光与激子及界面电荷转移态相互作用的机理，论证利用太赫兹技术提高光电转化效率的可行性。研究结果将为推进以全光方式提高聚合物电池性能的探索提供理论指导。

聚合物、钙钛矿等太阳电池技术正蓬勃发展，理解其中的量子光伏过程对提高光伏器件能量转化效率、优化结构、乃至为潜在的量子信息计算应用都具有基础科学意义。激子作为光伏过程中重要的量子态并在光电转化过程中起到主导地位。人们发现激子在不同材料、外场环境下展现出不同特性，发现磁场、偏振光等对激子的自旋态存在明显影响。本项目旨在建立理论揭示偏振光对激子自旋态调控的机制。.我们研究了不同频率、强度的太赫兹圆偏振光对聚合物电池中激子自旋态的调控规律，揭示了由圆偏振光诱导的单-三线态转化现象，提出三线态激子的增加延长了激子的平均寿命，通过抑制辐射复合的能量损失部分提高了光电转化效率；进一步研究了圆偏振光与三线态激子的相互作用过程，发现由逆法拉第效应诱导三线态自旋磁矩的翻转，且该翻转呈现偏振光旋向依赖性；我们针对给/受体异质节结构的电池建立了新的有效模型，并用该模型成功解释了界面电荷转移态的电荷解离、激子超快电荷解离等新奇实验现象；进一步，基于该模型，我们提出了一种在给/受体异质结电池结构中实现纯自旋流的潜在方案，导出了使用电池结构实现自旋器件的新思路；我们研究了二维钙钛矿光伏材料中的自陷激子的性质，发现自陷激发态表现出极化效应，可分别表现为二维大小极化子态；另外，我们将建立的理论模型应用于手性分子自旋选择效应研究，成功解释了手性自旋选择的机制，提出手性自旋选择效应是一种等效逆法拉弟效应，即电荷穿过手性分子等效为圆偏振光对局域电子态的作用，是一种旋向依赖的自旋翻转作用。.研究成果揭示了偏振光与聚合物中激子的相互作用图像和规律，从微观上分析了激子的自旋翻转、电荷解离等量子过程。这些结果对于优化太阳能电池结构、实现更高效有机太阳电池具有理论指导意义。同时，偏振光对激子、极化子等准粒子自旋的调控所实现的自旋翻转、自旋流生成等，也可用于量子信息的储存和操作，在未来发挥其理论价值。