光电转换过程的超快光谱

本申请项目将复杂体系超快动力学研究的前沿领域和光电转换材料与器件研究的前沿领域相结合，围绕着提高有机光伏体系自由电荷载流子的初始浓度及其利用效率这一核心目标，重点开展光电转换基元过程的超快动力学以及载流子输运过程的动力学研究。我们将以有机共轭聚合物光伏体系为主要研究对象，通过跨越飞秒至微秒尺度的时间分辨光谱学手段并结合有机半导体中激子和载流子的理论分析和动力学模拟，研究激子扩散、给/受体界面电荷分离、界面束缚电子-空穴对形成及解离、自由电荷生成及复合损耗等动力学过程。结合对光伏体系的分子结构和纳米微结构的调控，研究上述动力学过程对自由电荷时、空分布特性和载流子输运特性的影响，为改善器件光能转换效率提供新思路和理论依据。我们还将探索光电转换的新机制和新方案，包括贵金属/半导体纳米晶复合体系的表面等离子激发转换机制以及半导体纳米晶中的单光子诱导多激子转换机制。

围绕着提高有机光伏体系自由电荷载流子的初始浓度及其利用效率这一核心目标，系统开展了原初超快动力学及载流子输运过程的研究。深入研究了典型共轭聚合物-富勒烯衍生物和有机小分子光伏材料体系的光电转换超快过程，主要研究成果如下：. 为了厘清有机聚合物光伏器件中激子、界面电荷和自由电荷之间的相互转换关系，我们建立了灵敏度高，覆盖可见-近红外-中红外光谱区域的有机半导体材料超快光谱技术平台和研究方法；为了指认自由电荷的特征光谱，建立了光谱电化学光谱学方法。设计合成了基于苯并噻吩的一维和二维共轭聚合物、LUMO能级可调的多加成富勒烯衍生物以及刚性共价连接的寡聚富勒烯衍生物，这些新型光伏材料在光电转换机理研究中发挥了重要作用。在光伏材料原初激发态形式的超快光谱研究中，证实了光激发可直接生成光生电荷，提出了激发波长依赖的热激子解离机制。中红外光谱直接观测到酞菁锌多晶薄膜中的导带自由电子（~100 ps），指出高结晶度有机小分子膜的半导体属性可促进光生自由电荷的产生和有效利用。在对窄带共轭聚合物/富勒烯衍生物体系的超快光电转换过程研究中，揭示了激子解离形成界面电荷分离态（CS）和界面电荷转移态（CT）的并行机制，确定了电荷分离的最佳驱动力约为0.2-0.3 eV。提出了通过形貌控制促进CT态进一步解离、生成自由电荷（CS）的途径。通过超快动力学研究揭示了共轭聚合物的溶液自聚集构象与固相膜材料形貌之间的关联，提出通过调控聚合物侧链取代基结构改善光伏材料形貌、以及通过增加界面附近有序度或结晶度，促进自由电荷向有序相迁移，进而提高光电转换效率的新思路。