有机光伏器件中激子拆分的自旋-玻色理论研究

Exciton dissociation in organic photovoltaic devices is recently recognized to be more and more important with respect to the intrinsic physical mechanism, benefiting from the extensive application of nonlinear optical techniques. So far, there are two distinct mechanisms elucidating the microscopic process of exciton dissociation, which are based upon the delocalization and the entropy picture, respectively. These two mechanisms are, to a certain degree, conflicting with each other, and expect for the phenomenological and qualitative expressions there are few of microscopic and quantitative analysis based on them. In this context, we propose to study the photo-to-charge conversion process with regard to the exciton dissociation from a starting point of the celebrated spin-boson model. We will discuss the dissociation rate in terms of the delocalization, the entropy and the free energy, and calculate the nonlinear optical spectrum fitting with the respective experiment. To this end, we will develop and combine several approaches in the field of the spin-boson theory. Yields of quantitative results will be helpful for the experimental applications.

近年来，随着非线性光学实验技术被广泛运用到有机光伏器件的研究中，揭示激子拆分过程的内在物理机制成为学界研究的要点。目前，理论上主要有两种机制来解释有机激子拆分的微观过程，它们分别基于退局域化和熵的图像。这两种机制在一定程度上相互矛盾，并且两者都只有唯象的定性表述，缺少微观的定量分析。在此背景下，本项目提出从具有微观本质的自旋-玻色模型出发，研究有机光伏器件中与激子拆分相关的光-电转换过程，探讨退局域化、熵、自由能等因素对拆分效率的影响，计算不同的非线性光谱并与实验对比。为完成这些目标，我们将发展和整合多个研究自旋-玻色理论的方法，使其交叉配合、给出定量的理论结果，为相关应用提供参考和帮助。

本项目主要是研究有机光伏器件中的激子拆分问题。项目立项于2015年，正是那一年，新型非富勒烯电子受体ITIC被合成出来，彻底改变了有机光伏器件的研究格局。四年多来，随着非富勒烯受体更加广泛地应用，有机光伏器件的效率不断攀升，为未来的应用打开了大门。与此同时，对其中激子拆分的机理研究也翻开了新的篇章。我们在本项目的资助下，过去四年里对激子拆分进行了全方位的理论研究，提出了一系列针对不同有机体系的全新机理，得到了学界的广泛认可。具体来说，我们获得了如下几点重要的研究成果：.（1）我们针对小分子太阳电池提出了超快长程电荷转移态的模型。我们建立的模型包含局域的激子态及短程和长程的电荷转移态，此外，我们还考虑了非对角电声耦合。通过含时密度重整化群的计算，我们发现了非对角电声耦合在电荷分离中所起的重要作用。我们计算了这一过程中纠缠熵的变化，与传统热力学熵的计算结果近似。我们认为，电荷分离应该用纠缠熵来刻画才能更加反映实际问题。.（2）我们针对非富勒烯太阳电池提出了电荷自聚集的模型。我们认为，非富勒烯体系常用的DA交替的结构是其激子拆分效率高的主要原因，因为DA交替的结构有助于正负电荷的交替分布，形成局域的电偶极矩，改变材料的介电常数。通过多体模型的计算，我们发现这一效应将大辐改善拆分效率。.（3）我们针对全聚合物太阳电池提出了超快空穴转移的模型。全聚合物太阳电池由于具有良好的低温溶液制备等优势，一直是研究的重要课题。我们与相关实验组紧密配合，从实验和理论分别指出了这其中存在的超快空穴转移过程，这一发现有助于我们更好地理解全聚合物电池的工作机理，帮助设计更优化的材料和器件。