多并苯及其衍生物材料中的激子裂变与激子淬灭过程研究

Over the past few years, the singlet exciton fission process occurring in polyacene and its derivatives (for instance, pentacene, tetracene and rubrene) has become a scientific hotspot in the field of organic electronics. The singlet fission process means that an excited singlet exciton transfers its half of energy to another molecule in the ground state, and subsequently both of them undergo conversion into a pair of triplet excitons. Theoretically, the organic molecules with the property of singlet fission can be used as a new type of sensitizer, which is able to effectively enhance the quantum efficiency of organic photovoltaic devices. Whereas in experiment, the possible quenching effect between the excitons (including the singlet and triplet excitons) and charges might lead to the failure of the above sensitizing mechanism. This project will focus on the multiple important problems which are related with the singlet fission and exciton quenching processes, carrying out the specific experimental studies. Combing with the steady state, transient state, and magnetic field effect measurements of photoluminescence and photocurrent of devices, the influence of thermal excitation, intermolecular charge transfer, and intermolecular coupling strength on the rate constant of singlet fission, as well as the intensities of quenching reaction between the singlet/triplet excitons and charges, will be studied in detail. The research of this project will try to achieve the quantitative results and decisive conclusions, thoroughly analyzing the microscopic mechanisms of singlet fission and exciton quenching, and promoting the progress in the aspects of theoretical explanation and device application of singlet fission.

近几年来，在多并苯及其衍生物材料（如并五苯、并四苯、红荧烯）中发生的单重态激子的裂变过程成为有机电子学领域中的一个研究热点。激子裂变过程，是指一个受激发的单重态激子传递其一半的能量到另一个处于基态的分子，两个分子随后转变为一对三重态激子。理论上，具有激子裂变性质的有机分子可作为一种新型的敏化剂，用来有效提高有机光伏器件的量子效率。而实验上，在器件中有可能存在激子（包括单重态与三重态）与电荷间的淬灭作用，使这种敏化机制失效。本项目着眼于与激子裂变和激子淬灭过程相关的若干重要问题，开展有针对性的实验研究。综合器件的光致发光与光电流的稳态、瞬态、磁场效应测量，研究热激发、分子间电荷转移、分子间耦合强度对激子裂变速率的影响，以及器件中单/三重态激子与电荷间发生淬灭反应的强度，力图获得定量的结果和确定性的结论，深入解析激子裂变与激子淬灭过程的微观机制，促进激子裂变的机理解释与器件应用两方面的进步。

近几年来，在多并苯及其衍生物材料中发生的单重态激子的裂变过程成为有机电子学领域中的一个研究热点。激子裂变过程是指：一个受激发的单重态激子传递其一半的能量到另一个处于基态的分子，两个分子随后转变为一对三重态激子。理论上，具有激子裂变性质的有机分子可作为一种新型的敏化剂，用来有效提高有机光伏器件的量子效率，因此对激子裂变及其相关过程的研究，吸引了物理、化学、材料等领域研究者的极大关注。而实验上，在器件中有可能存在激子（包括单重态与三重态激子）与电荷（包括电子与空穴）间的淬灭作用，使这种敏化机制失效。本项目着眼于与激子裂变和激子淬灭过程相关的若干重要问题，开展有针对性的实验研究。综合器件的光致发光、电致发光与光电流的稳态、瞬态、磁场效应测量，研究了如下七个方面的问题：①“测量温度”对激子裂变过程的影响，证实了激子裂变过程符合Arrhenius定律；②“分子间距”对激子裂变过程的影响，发现了激子裂变速率随分子间距指数下降的变化规律；③“分子间的能级势垒”对激子裂变过程的影响，表明了激子裂变过程的实质是双电子转移过程；④“分子排列的有序度”对激子裂变过程的影响，指出了分子排列的不规则性不会阻碍激子裂变过程的发生；⑤ 光伏器件中S1单重态激子的裂变、辐射、解离三种衰减途径间的竞争，测量了在实际器件中三种过程的速率；⑥ S1单重态激子与电荷间的相互作用，获得了两种电荷对单重态激子的淬灭规律；⑦ T1三重态激子与电荷间的相互作用，获得了两种电荷对三重态激子的淬灭规律。通过本项目的研究，揭示了激子裂变过程中的多种影响因素，阐明了态转换过程的微观机制，澄清了部分理论计算上的模糊认识。对于激子-电荷淬灭的特点与差别，实验上已经获得部分定量的结果和确定性的结论，这有助于深入解析激子淬灭过程的微观机制。