近日，广州大学物理与材料科学学院和超快（飞秒）光学实验室在非富勒烯光伏体系界面电荷和能量转移机制方面取得重要进展，相关研究成果发表在Chemical Engineering Journal (中国科学院一区Top, IF:15.1)和Solar RRL (JCR 一区 , IF:7.9)。
一、研究背景
由于有机半导体的介电常数较低，其吸收光子后往往不能直接产生自由电荷，而是产生受库伦力束缚的电子-空穴对（激子）。在有机太阳能电池的光电转换过程中，将电中性的激子解离生成自由电荷是太阳能电池实现高能量转换效率的关键。基于传统富勒烯类太阳能电池的研究发现，给受体间的界面能级差是光生激子解离的主要驱动力来源，并且激子发生有效解离所需的驱动力（给受体能级差）要大于0.3 eV。较高的激子解离驱动力需求限制了有机光伏器件开路电压的提高，进而影响器件的光电转换效率。
近年来，新型非富勒烯受体材料的不断涌现，尤其是 Y 系列小分子材料的发展，极大地促进了聚合物太阳能电池光电转换性能的提高，从而掀起了聚合物太阳能电池新一轮的研究热潮。相较于富勒烯类受体材料，非富勒烯受体材料除具有较好的光子吸收性能外，在界面电荷产生方面也呈现出一些独特的性质。从目前所报道的基于 Y 系列小分子的非富勒烯聚合物太阳能电池的成功案例来看，该体系的太阳能电池在 LUMO 能级差或 HOMO 能级差小于 0.3 eV 的情况下仍具有很高的能量转换效率。因此，在非富勒烯光伏体系中，界面能级差大小是否仍是界面电荷产生的关键存在争议。
图1. (a) BTR-Cl, (b) Y10, (c) Y5, (d) BTP-4F-12和(e) Y6的分子结构。(f) BTR-Cl、Y10、Y5、BTP-4F-12和Y6薄膜的能级结构。
二、研究内容
本工作以BTR-Cl为给体，以一系列给受体能级差不同的Y系列分子（Y6, Y10, Y5和BTP-4F-12）为受体，组成LUMO能级差（ΔEL）和HOMO能级差（ΔEH）分别在0.07 ~ 0.38 eV和0.09 ~ 0.24 eV范围内变化的全小分子共混薄膜模型体系（如图1所示），并采用稳态和瞬态光谱方法，研究了该模型体系的电荷产生和复合过程。主要研究结果如下：
（1）本工作建立了一种基于稳态吸收和发光光谱定量评估界面能量转移和空穴转移的新方法。研究发现，ΔEL越小，能量转移占给体激子发光猝灭比例越高。即使对于模型体系中具有最高LUMO能级差的BTR-Cl:Y6，给体中 ~ 23%的光生激子通过“先能量转移随后电荷转移”的途径（如图2中①和②所示）解离，这表明在设计高性能有机太阳能电池时，除了考虑直接的界面电子转移过程，界面能量转移相关的激子解离过程也不能被忽略。
（2）研究发现Y系列分子中的激子只有在HOMO能级差高于0.11 eV时才能发生有效解离。此外，研究还表明界面能级差越高越有利于抑制超快时间尺度上的载流子复合。
图 2.共混薄膜的电荷转移（①和③）和Förster能量转移（FRET）（②）过程。
相关研究成果以 “Energy level offsets determine the interplay between charge and energy transfer in all-small-molecule organic solar cells” 为题发表在Chemical Engineering Journal上。我院硕士生温观钊、冯君仪、重庆文理学院胡荣副教授为论文第一作者，我院教师张伟副教授、松山湖材料实验室赵宁久高级工程师、哈尔滨工程大学邹贤劭副教授为论文通讯作者，广州大学为第一单位。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145939。
三、相关研究
该工作是张伟副教授研究组继非富勒烯聚合物太阳能电池光电转换机制研究（Solar RRL，JCR Q1, IF:7.9）之后的又一重要研究成果。该系列研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室开放基金以及广州大学“新材料新装备新制造”交叉创新平台的支持。
