共轭聚合物中极化子和极化子对产生及驰豫过程的超快动力学研究

有机聚合物具有成本低、光电性质丰富以及轻、柔、薄等特性，成为太阳能电池材料的良好选择，但目前仍存在光电转换效率较低等不足。为了解决这个问题，人们在合成新功能材料、设计新原理器件方面作了大量工作，相关研究成为有机光伏国际前沿的热点，但进展仍然不尽人意。本项目在申请者良好先期工作的基础上，设计和综合运用时间相关单光子计数、泵浦探测和荧光上转换等时间分辨光谱手段，从目前获得光电转换效率最高的3-己基噻吩聚合物（P3HT）/C60衍生物（PCBM）入手，对聚合物太阳能电池中载流子产生、传输、分离等基元过程进行深入研究，特别聚焦于极化子与极化子对的产生机制、它们的传输、复合、驰豫机制、激子态与极化子/极化子对态之间的势垒存在与否等关键科学问题，由简单过程向复杂体系逐步拓展，以期澄清制约典型共轭聚合物光电转换效率的关键因素，为有机光伏新材料合成和新原理器件设计提供科学依据。

有机聚合物具有成本低、光电性质丰富以及轻、柔、薄等特性，成为太阳能电池材料的良好选择，但目前仍存在光电转换效率较低等不足。为了解决这个问题，人们在合成新功能材料、设计新原理器件方面作了大量工作，但是器件中的光物理过程的研究依然比较缺乏。本项目综合运用时间相关单光子计数、泵浦探测和荧光上转换等时间分辨光谱手段，从目前获得光电转换效率最高的3-己基噻吩聚合物（P3HT）/C60衍生物（PCBM）入手，对纯聚合物P3HT及混合薄膜太阳能电池中载流子产生、传输、分离等基元过程进行深入研究。.我们首先对P3HT薄膜中极化子对衰减动力学进行了研究：以往研究指出极化子对衰减回到激发态，但我们通过对比荧光峰值、基态漂白和极化子对吸收的动力学，发现极化子对驰豫是回到基态。并通过分析不同时间尺度的瞬态吸收光谱形状，发现极化子对衰减回到有特定吸收光谱形状的特定区域。.P3HT薄膜形貌及功能的研究：聚合物长链不同堆积方式会形成不同电子结构和形貌。但对P3HT薄膜具体形貌的研究至今仍然缺乏。通过分解P3HT薄膜瞬态吸收光谱中不同寿命对应的光谱，我们首次发现在P3HT薄膜中至少存在四个不同形貌的区域，而每个区域都有其特定功能，能够产生不同的激发产物：极化子、极化子对、聚集区激子和非聚集区激子。形貌与功能的对应关系的阐明对于理解聚合物薄膜中的光物理过程有着重要意义。.P3HT：PCBM体系中的激子扩散和电荷转移动力学研究：在退火后的P3HT：PCBM薄膜中，激子怎样在很短的时间内有效地到达电子给受体界面实现电荷分离这个问题仍有很多争议。我们对P3HT/PCBM异质结体系进行了功率依赖的的荧光动力学测试，并采用三维扩散模型很好的描述了激子的扩散行为，得到激子在8 ps内的扩散距离只有0.5 nm，而电荷转移半径Rct的范围在4.8-9 nm之间。这说明激子不是通过扩散到达界面，而很有可能是激子在P3HT中4.8-9 nm的一个区域里非局域化而迅速到达P3HT/PCBM的界面。此结果对理解聚合物太阳能电池中的电荷分离过程有重要意义。..基于上述研究工作，共发表有项目基金资助号的SCI文章5篇，圆满完成项目计划。