非富勒烯有机太阳能电池光电转换机理的时间分辨光谱研究

20250927

科学研究和技术服务业

当前已经在实验室环境中完成瞬态吸收光谱系统搭建，实现对有机太阳能电池光生载流子动力学（如电荷分离、复合、传输）的纳秒-皮秒级时间分辨率观测；同时在模拟实际工况（如AM1.5G光照）下验证动力学模型，初步关联动力学参数（如载流子寿命、迁移率）与器件性能（PCE、FF）。

该科技成果转化专业的光学测试场地（包括光学超净间）和器件制备实验室（包含手套箱，通风橱等），同时需要配备专业的超快光谱方向的人员，负责超快光谱仪器的搭建、维护、数据测试与数据分析、模型建立；最后需要物理、化学、材料学等多学科人员交叉合作。合作成功后，可填补国内光伏动力学检测设备的空白。

可国（境）内外转让

推动光伏检测设备国产化，助力行业降本增效，支撑国家能源安全。

北京市自然科学基金青年项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

在国家“双碳”战略背景下，太阳能电池技术发展迅速，其中有机太阳能电池（OSCs）占据重要地位。为设计新型高效有机光电材料与器件，提升光电转换效率（PCE），深入理解其光电转换微观机理至关重要。本项目基于瞬态吸收光谱技术，围绕有机太阳能电池材料体系，开展了以下研究： (1) 揭示二元体系电荷与能量转移路径： 在给体/受体（D/A）共混膜中，光激发后的电荷分离（CS）可能通过电子转移、空穴转移或能量转移诱导的电子/空穴转移三种路径实现。然而，针对非富勒烯受体（NFAs）体系的光谱重叠问题，先前研究难以直接表征这些动态过程。本研究聚焦PBDB-T（D）与L系列NFA（L4/L5）共混体系，成功识别并分离了PBDB-T/L4体系中各激发态物种的动力学行为。同时，首次在L4和L5纯膜中观测到光诱导CS现象，为OPV体系在近零驱动力下发生CS提供了直接证据。 (2) 调控共振能量转移提升光电转换效率： 三元策略是提升OSCs性能的有效途径。本研究以D18:BTP-eC9-4F为主活性层，引入具有三维（3D）末端基团和高荧光量子产率（PLQY）的NFA SM16作为第三组分构建三元OSCs，最优器件PCE达19.28%。结果表明：SM16的高PLQY有效抑制非辐射能量损失，提升开路电压；其3D末端基团和高溶解度优化了活性层形貌，形成双连续互穿网络，促进光生电流并提高填充因子；飞秒瞬态吸收光谱证实，适量SM16引入可增强共振能量转移速率，进而提升反向空穴传输效率，最终提高电荷生成效率与PCE。该研究凸显了高PLQY、3D端基受体作为三元组分在提升OSCs效率方面的潜力。 (3) 阐明A1:A2:D型三元体系多通道转移机制： 三元OSCs虽具增强光吸收与可调电荷传输优势，但其多通道能量/电荷转移机制尚不清晰。本研究采用PCz、PM6（给体）与Y6（受体）构建模型体系，深入探究三元OSCs激发态行为及组分间转移路径。研究发现存在从PCz到PM6再到Y6的级联能量转移与电子转移过程，同时空穴从Y6转移至PM6和PCz。分析表明，PCz含量可调控能量转移效率与空穴转移速率。三元体系展现出更快的空穴转移速率和更高的能量转移效率，实现了17.64%的PCE。该工作揭示了三元OSCs的激发态动力学特征，为多组分体系的设计与优化提供了重要指导。