【能源】赵富稳课题组Angew：通过抑制激子-振动耦合延长激子寿命实现高效有机太阳能电池- 大数跨境

【能源】赵富稳课题组Angew：通过抑制激子-振动耦合延长激子寿命实现高效有机太阳能电池

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2024-01-16

导读：近日中南大学赵富稳教授、贺跃辉教授与何旦副教授提出了分子氘代策略，将非富勒烯受体分子烯键上的氕用氘取代。

有机太阳能电池（OSCs）由于其具有重量轻、机械柔韧性好、半透明等特点，在有机电子器件中备受关注。然而，OSCs在光激发下通常会产生Frenkel激子，这种激子由于其具有低介电常数，高的结合能，必须到达特定的位置并需要额外消耗能量才能解离成自由载流子。因此，长激子扩散长度 (L_D) 是确保激子在复合之前到达给体/受体界面的必要条件。

对于有机半导体，激子扩散长度可以用方程

来量化，其中D是激子扩散系数，τ是激子寿命。目前，提高L_D的主要策略是通过提高材料的结晶度、降低重组能和缩短分子间距离来有效地增强D。然而，提高有机半导体本征τ的有效策略还尚未有报道。

在有机半导体中，由于激子的非辐射复合速率远大于辐射复合速率，因此，激子寿命τ主要受制于非辐射复合速率。根据玻恩-奥本海默近似，非辐射复合速率与高频振动的平均频率正相关。而有机半导体的高频振动主要来源于C-H或C-C等轻质振动。因此，降低分子骨架的振动频率将会降低非辐射复合速率从而延长激子寿命τ。

考虑到分子骨架振动频率与原子质量紧密相关，近日中南大学赵富稳教授、贺跃辉教授与何旦副教授提出了分子氘代策略，将非富勒烯受体分子烯键上的氕用氘取代。密度泛函理论（DFT）计算表明，C-H键在非富勒烯受体双键上的激发态振动频率为3233.04 cm^-1和3233.13 cm^-1，而C-D键在非富勒烯受体双键上的激发态振动频率为2379.60 cm^-1和2379.75 cm^-1，说明氘代可以有效降低分子骨架的激发态振动频率。基于此，作者设计合成了氘代小分子受体L8-BO-D。

利用氘代策略降低激子-声子耦合提高激子寿命

通过利用瞬态荧光测试L8-BO和L8-BO-D薄膜的τ，发现L8-BO-D的τ为1.35 ns，高于L8-BO（0.90 ns），这也是目前已报道的非富勒烯受体τ的最高值。为探究τ增长的原因，进一步利用变温荧光来评估两种受体的激子与声子耦合程度。由于激子与光声子之间的强相互作用，荧光光谱的半峰宽一般随温度的升高而增大。分别对两种不同受体荧光半峰宽进行拟合，作者发现L8-BO-D的激子-声子相互作用弱于L8-BO，这也意味着氘代可以抑制激子-振动耦合，提高τ。

图1. L8-BO和L8-BO-D薄膜激子寿命和变温荧光光谱。

通过氘代策略延长激子扩散长度

由于氘代后τ有明显提高，研究者利用瞬态吸收测试了两种不同受体的L_D。结果表明，氘代后L8-BO-D的溶液τ和D均有明显提高，因此L8-BO-D的L_D达到10.7 nm，高于未氘代的受体L8-BO（7.9 nm）。这说明氘代策略可以有效提高L_D。

图2. L8-BO和L8-BO-D薄膜激子扩散长度测量。

氘代策略有助于提高光伏性能

由于L8-BO-D的激子与分子振动耦合较弱，非辐射能量损失较低，L_D较长。基于PM6:L8-BO-D的本体异质结器件PCE可以达到18.5%，高于基于PM6:L8-BO的器件 (17.2%)。此外，由于L8-BO-D具有较长的L_D，基于D18/L8-BO-D的PPHJ器件达到了19.3%的PCE，这是单结OSC的最高值之一。该工作表明，氘代策略是增加非富勒烯受体τ和L_D的有效途径，从而提高OSCs的PCE。

图3. 基于PM6:L8-BO和PM6:L8-BO-D BHJ光伏性能参数和基于D18/L8-BO和D18/L8-BO-D的PPHJ 器件光伏性能参数。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Suppressing Exciton-Vibration Coupling to Prolong Exciton Lifetime of Nonfullerene Acceptors Enables High-Efficiency Organic Solar Cells

Yufan Zhu, Dan He, Chong Wang, Xiao Han, Zesheng Liu, Ke Wang, Jianqi Zhang, Xingxing Shen, Jie Li, Yuze Lin, Chunru Wang, Yuehui He, Fuwen Zhao

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202316227

赵富稳教授简介

赵富稳，中南大学特聘教授，2017年6月在中国科学院化学研究所获得博士学位；随后在“博士后创新人才支持计划”以及欧盟“玛丽居里学者”奖学金的资助下，进行博士后研究。研究方向为半导体材料的开发及其在能量转换与催化方面的应用。目前发表论文37篇，一作及通讯24篇，包括Adv. Mater. (7篇)，Angew. Chem. (1篇)， Adv. Funct. Mater. (1篇) 等高影响力文章。其中，6篇入选ESI高被引论文 (Highly Cited Paper)，2篇入选2017年度中国百篇最具影响国际学术论文，他引5000余次，H因子23。主持国家自然科学基金3项（重点项目子课题/面上/青年），湖南省优秀青年基金1项，入选湖南省湖湘青年英才。目前担任Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Chemistry of Materials, Nanomaterials等期刊审稿人。

https://www.x-mol.com/university/faculty/243991

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