光電轉換過程的超快光譜

《光電轉換過程的超快光譜》是依託中國人民大學，由張建平擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：光電轉換過程的超快光譜
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：張建平
• 依託單位：中國人民大學

項目摘要

本申請項目將複雜體系超快動力學研究的前沿領域和光電轉換材料與器件研究的前沿領域相結合，圍繞著提高有機光伏體系自由電荷載流子的初始濃度及其利用效率這一核心目標，重點開展光電轉換基元過程的超快動力學以及載流子輸運過程的動力學研究。我們將以有機共軛聚合物光伏體系為主要研究對象，通過跨越飛秒至微秒尺度的時間分辨光譜學手段並結合有機半導體中激子和載流子的理論分析和動力學模擬，研究激子擴散、給/受體界面電荷分離、界面束縛電子-空穴對形成及解離、自由電荷生成及複合損耗等動力學過程。結合對光伏體系的分子結構和納米微結構的調控，研究上述動力學過程對自由電荷時、空分布特性和載流子輸運特性的影響，為改善器件光能轉換效率提供新思路和理論依據。我們還將探索光電轉換的新機制和新方案，包括貴金屬/半導體納米晶複合體系的表面等離子激發轉換機制以及半導體納米晶中的單光子誘導多激子轉換機制。

結題摘要

圍繞著提高有機光伏體系自由電荷載流子的初始濃度及其利用效率這一核心目標，系統開展了原初超快動力學及載流子輸運過程的研究。深入研究了典型共軛聚合物-富勒烯衍生物和有機小分子光伏材料體系的光電轉換超快過程，主要研究成果如下：為了釐清有機聚合物光伏器件中激子、界面電荷和自由電荷之間的相互轉換關係，我們建立了靈敏度高，覆蓋可見-近紅外-中紅外光譜區域的有機半導體材料超快光譜技術平台和研究方法；為了指認自由電荷的特徵光譜，建立了光譜電化學光譜學方法。設計合成了基於苯並噻吩的一維和二維共軛聚合物、LUMO能級可調的多加成富勒烯衍生物以及剛性共價連線的寡聚富勒烯衍生物，這些新型光伏材料在光電轉換機理研究中發揮了重要作用。在光伏材料原初激發態形式的超快光譜研究中，證實了光激發可直接生成光生電荷，提出了激發波長依賴的熱激子解離機制。中紅外光譜直接觀測到酞菁鋅多晶薄膜中的導帶自由電子（~100 ps），指出高結晶度有機小分子膜的半導體屬性可促進光生自由電荷的產生和有效利用。在對窄帶共軛聚合物/富勒烯衍生物體系的超快光電轉換過程研究中，揭示了激子解離形成界面電荷分離態（CS）和界面電荷轉移態（CT）的並行機制，確定了電荷分離的最佳驅動力約為0.2-0.3 eV。提出了通過形貌控制促進CT態進一步解離、生成自由電荷（CS）的途徑。通過超快動力學研究揭示了共軛聚合物的溶液自聚集構象與固相膜材料形貌之間的關聯，提出通過調控聚合物側鏈取代基結構改善光伏材料形貌、以及通過增加界面附近有序度或結晶度，促進自由電荷向有序相遷移，進而提高光電轉換效率的新思路。