有机光电转换过程中的量子相干性研究

有机光电转换过程中的量子相干性研究

有机材料通过给-受体的异质结结构实现了从光能到电能的光电转换过程。相比于无机太阳能电池,有机太阳能电池具有柔性,易制作,低成本等诸多优势,但是光电转换效率较低一直是制约其推广的重要因素。解决这一问题需要进一步理解有机光电转换的物理机制。一般来说,有机光电转换过程主要分为四个步骤:1、材料吸收光子从基态跃迁到激发态产生电子空穴对;2、电子空穴对迁移到给-受体的界面上;3、电子空穴对发生电荷转移产生电荷转移态;4、电荷转移态进一步解离,最终形成自由的电子和空穴。

本文重点关注了有机光电转换过程中的关键步骤1和3中的量子相干性。在自然界中光合作用体系中的量子相干性被发现后,如何利用量子相干性提高有机光电转换的效率成为领域研究的重点。步骤1中,传统观点认为由于热弛豫的存在,材料吸收大于带隙的光子最终也只能提供等于带隙的能量。而考虑具有量子相干性的单线态分裂过程后,高能量的单线态激子能在超快时间尺度内转换为两个低能量的三线态激子。

这一多激子产生的过程能够有效减小体系中的热损失,具有打破单节太阳能电池效率极限的潜力。步骤3中,由于有机材料中光生电子空穴的库伦束缚能较大,设计器件时一般会选择0.3 eV左右的驱动能使得电荷转移能有效发生。但是,最近的研究已经发现了驱动能小于0.1 eV的高效有机光电转换体系,且电荷转移过程发生在百飞秒量级,也提示在理解这一步骤物理机制时必须考虑非经典的量子相干性。为了研究有机光电转换过程中的量子相干性,我们发展了一套具有优于10 fs时间分辨的主动锁相泵浦-探测构型二维相干电子谱测量系统,代表性研究结果如下:1、首次测得并四苯晶体单线态分裂产生的三线态激子对中两个三线态激子的磁偶极相互作用强度为0.008 GHz。

量子力学中,简并能级在考虑相互作用微扰时会发生退简并打开一个能隙。我们调节外部磁场大小和方向使得并四苯中三线态激子对中一些亚能级处于近简并的状态,通过测量由磁偶极相互作用打开的能隙对应的量子拍频率,对比理论模拟得出相互作用强度为0.008 GHz。这一数值远小于并四苯晶体中相邻分子间的磁偶极相互作用强度,验证了由电声耦合导致的激子离域化在单线态分裂过程中起到了重要作用。2、首次证实了有机聚合物光照下与激子同时产生的极化

子对在空穴转移过程中的主导作用。

一些有机材料在光照下能相干产生激子和极化子对两种激发态,其中极化子对在电荷转移中的作用一直不清楚。我们通过瞬态吸收谱计术测量得到了非富勒烯全聚合物有机体异质结(J51/N2200)空穴转移中受体N2200的激子和极化子对动力学。对比单体和共混物中的结果发现,N2200中的极化子对主导了空穴转移过程,而激子几乎不参与。为了进一步确认极化子对的作用,我们通过紧束缚近似下的SSH理论模拟了激子和极化子对在给-受体界面处的电荷分离过程,模拟结果验证了由于极化子对的束缚能较低,其在给-受体界面间的电荷分离更加有效。

这一发现对于通过优化材料中的极化子对动力学来提高光电转换效率具有重要意义。3、首次发现了非富勒烯体异质结中的相干空穴转移机制。我们通过双色的二维相干电子谱技术研究了一系列具有不同驱动能的非富勒烯聚合物-小分子体异质结(J52/ITIC,J51/ITIC,J61/ITIC,J71/ITIC)中的空穴转移过程。所有四种共混物的二维相干电子谱均显示其中的空穴转移在<20 fs时间尺度上已经发生,且伴随着相干声子震荡。

理论模拟的结果显示相干电声耦合是导致超快空穴转移的原因。考虑电声耦合导致的受体激发态和空穴转移态间的相干性后,0.3 eV驱动能并不是空穴转移过程的必要条件,这对于设计更高开路电压的光电转换器件,降低电荷分离时的能量损失具有重要意义。类比于光合作用体系中高效的相干能量转移过程,有机光电转换过程在考虑相干性后也具有高效,低能量损耗等特性。随着有机转换过程中相干性研究的深入,新的相干有机光电转换器件将具有更高的效率,并最终能够广泛应用。