聚合物光電池材料中光激發態的時間分辨光譜研究

《聚合物光電池材料中光激發態的時間分辨光譜研究》是依託南京理工大學，由盛傳祥擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：聚合物光電池材料中光激發態的時間分辨光譜研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：盛傳祥
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

聚合物薄膜太陽能電池原材料豐富、造價低廉、有實現大規模套用的前景。但其光電轉換效率現僅有7%，仍需較大的提升。實驗證明，金屬納米粒子和結構的表面電漿激元可廣泛用於增加無機和有機太陽能電池的光電轉換效率。因此，深入研究表面電漿激元對有機太陽能電池材料中、光激發態及光電轉換過程的影響，有著重要的意義。本項目主要研究聚合物薄膜在引付夜籃入金屬納米粒子和結構後的光學性質，將使用多種光學測量手駝宙匙段研究光生載流子在100飛秒到1毫秒時段內的時間分辨光譜，特別是1納秒到1微妙段的特性。具體包括a)對光電轉換效率的影響；b)施主受主電荷轉移中間態的光學性質，及電荷產生和分離的動力學。c)近紅外光子（能量低於聚合物帶隙）激發的載流子動力學過程。目標是加深對電漿激元和聚合物中光激發態相互作用的理解，為開發提高光生載流子產額的薄膜製備工藝提供物理基乎拒礎，從而幫助提高聚合物光電池光電轉換效率至10%以上。

結題摘要

聚合物薄膜太陽能電池原材料豐富、造價低廉、有實現大規模套用的前景。經過近四年的迅速發展，基於聚合物光電池的光電轉換效率從項目申請時的7%到現在的12%，已經初步邁過商業化的門檻。同時，針對聚合物光電材料的光激發態研究，特別是自由載流子產生的物理過程的清晰描述，一直也是人們關注的方向。我們使用多種光學測量手段研究多種聚合物光電薄膜中光生載流子時間的分辨光譜。我們的研究結果發現 1）在RR-P3HT/PCBM（噻吩/富勒烯）混合薄膜的瞬態光致吸收譜中，束縛載流子可以由光瞬時產生，利用退火等手段可以有效減少束縛載流子的形成。提出了一個模型來描述噻吩/富勒烯混合物的光生載流子的產生過程。該模型清楚區分了局域載流子、非局域(自由)載流子的產生過程。首次發現了有機光電混合材料中，亞皮秒時段內自由載流子能帶和聲子的反共振吸收現象。2）我們生長了有機材料不連續金屬銀的多層膜結構，有效的觀察到等離子激元的激發。3）鉑金屬原子被合成入高分子鏈之後，極大的提高了自旋軌道相互作用，單態和三重態之間的系去埋尋間竄越效率顯著提高。通過調節高分子鏈中鉑金屬原子之間的距離，將不僅能夠調節系間竄越速率，同時可以改變激發態的次序。例如，如果鉑原子之間的距離只有一個苯環，這時金屬配位體電荷轉移態（Metal ligand charge transfer， MLCT）將會取代聚合物單態激子成為最低激發態。雖然MLCT在含有金屬原子的小有機分子中有廣泛報導，但在大分子聚合物中還較少涉及。據我們所知，我們的研究是首次船棵漿觀察到MLCT態作為聚合物中能級的第一激發態。4）我們的研究表明，無論是微晶化、還是無定形的聚合物光電薄膜形態，光激發態在微秒到毫秒時段內的複合機制都是雙分子複合。而且都受到缺陷和雜誌的影響，但熱激發能量有顯著不同(~30毫電子伏特 至 ~160毫電子伏特)。所抹剃辨勸以我們的實驗或將為標定薄膜性質和質量提供一個可量化的標準。5）我們還進行了有機聚合物高分子在靜態高壓下的光激發態的研究，並且和理論工作者合作，提出鏈內激子和鏈間極化子對形成的耦合態在聚合物薄膜的光激發態中阿雅墓微占有重要地位。這項工作可能從根本上開拓和加深了人們對聚合物光電性質的新認識。在此項自然科學基金的支持下，我們共發表SCI論文7篇，包括Scientific Reports 一篇， Organic electronics 兩篇，和專著中的兩個章節。