复旦大学赵海斌教授、苏州大学马万里和袁建宇教授AFM：嵌段聚合物中的超快的激子解离以实现高效的单材料有机太阳能电池

有机太阳能电池具有成本低、柔性和大面积制造等优势，具有巨大的商业潜力。近年来，单材料（嵌段共聚物）有机太阳能电池因其与体异质结有机太阳能电池相比表现出优异的器件稳定性而备受关注。但是，嵌段共聚物薄膜相比体异质结薄膜不仅有传统接触的供体/受体（D/A）共混界面，还有化学键合D-A化学界面；同时，嵌段共聚物内化学界面可能提供分子内电荷转移和激子解离额外的途径。到目前为止，还没有直接观察到在稀释的嵌段共聚物薄膜中的分子内的电荷转移和激子解离的动力学。然而，了解嵌段共聚物中的电荷转移和激子解离，有助于优化单材料有机太阳能电池的性能。

近日，复旦大学信息科学与工程学院光科学与工程系赵海斌教授团队和苏州大学功能纳米与软物质研究院马万里、袁建宇团队，在Advanced Functional Materials 发表题为“Ultrafast Exciton Dissociation in Block Copolymer toward Efficient Single Material Organic Solar Cells” 的研究论文。论文研究了单材料有机太阳能电池中共价连接和传统混合供体/受体系统的光物理性质。文章第一作者是复旦大学博士生李涛。

研究者比较共价连接和传统混合的供体/受体系统的光物理性质：PBDB-T-b-PTY6+ps薄膜和PBDB-T:PTY6薄膜。PBDB-T-b-PTY6是一种新设计的嵌段共聚物，用于高效单材料有机太阳能电池。为了获取孤立的嵌段共聚物链中通过化学界面形成动力学过程，研究者将嵌段共聚物稀释在大量的绝缘聚苯乙烯中（PBDB-T-b-PTY6+PS）。在这种薄膜中，非常小的重量比确保每个PBDB-T-b-PTY6嵌段共聚物分子都被聚苯乙烯屏蔽，从而在光激发时产生分子内电荷转移态解离而不是分子间的。

研究团队使用瞬态吸收光谱作为研究手段，通过在800 nm激光选择性激发受体PTY6时，确定了PBDB-T:PTY6，PBDB-T-b-PTY6和PBDB-T-b-PTY6+PS薄膜中的空穴转移，电场吸收和极化子吸收在瞬态吸收光谱中的峰位。通过将这些结果与纯净PBDB-T，PTY6薄膜和PBDB-T:PCBM混合薄膜的瞬态吸收光谱结果进行分析比较，具有峰值约为640 nm和830 nm的正信号可以归因于PBDB-T和PTY6的基态漂白峰。在700 nm和750 nm的光致吸收峰分别对应电场吸收和极化子吸收。

研究者通过超快瞬态吸收光谱确认了空穴转移，电场吸收和极化子吸收峰位，将进一步分析出PBDB-T-b-PTY6+PS，PBDB-T-b-PTY6和PBDB-T:PTY6薄膜中的电荷转移和电荷分离速率。在选择性激发受体情况下，PBDB-T-b-PTY6+PS，PBDB-T-b-PTY6和PBDB-T:PTY6薄膜对应的空穴转移（640 nm）信号分别在3，50和100 ps的时间尺度下呈现出上升阶段，这些结果表明PBDB-T-b-PTY6+PS膜中的空穴转移速率更快。与PBDB-T:PTY6共混膜中的空穴转移速率相比，发现通过孤立嵌段共聚物链的分子内通道中空穴转移速率大约比传统的共混膜中分子间通道的高一个数量级。孤立嵌段共聚物链中有利于空穴转移，意味着其在化学界面上更强的电子亲和力，这可能会减少对大驱动力的需求，从而为太阳能电池提供了开路电压和光电转化效率进一步提高的潜力。此外，研究者还通过电场吸收和极化子吸收信号验证了PBDB-T-b-PTY6+PS薄膜中的激子解离比PBDB-T:PTY6共混膜更快。所以，嵌段共聚物中的分子内界面比传统的体异质结界面更有利于空穴解离。

研究者计算了PBDB-T-b-PTY6和PBDB-T:PTY6的空穴转移效率，尽管PBDB-T-b-PTY6薄膜的分子有序性较弱，但其总体电荷转移效率与传统的PBDB-T:PTY6薄膜相当。同时估算了嵌段聚合物中分子内转移效率为30%和分子间的转移效率为30.5%。这些发现预示着进一步通过优化嵌段共聚物的分子有序性，实现快速分子内激子解离以实现高效电荷生成，使得单材料有机太阳能电池具有更高的光电转换效率。

综上，研究者探讨了PBDB-T-b-PTY6化学界面与PBDB-T：PTY6传统共混界面的对电荷转移和激子解离的影响。揭示了稀释的共轭嵌段共聚物链中化学界面处的空穴转移和电荷转移态的激子解离过程。基于特征光致漂白信号，PBDB-T-b-PTY6+PS薄膜中化学界面的空穴转移速率比PBDB-T:PTY6薄膜中的传统异质界面高约一个数量级。而且，PBDB-T-b-PTY6+PS薄膜从电场和极化子吸收信号中检测到的电荷转移态的激子解离速度也比PBDB-T:PTY6薄膜快得多。这些过程揭示了在共轭嵌段共聚物的化学界面处非常有效的分子内空穴转移和电荷转移态激子的解离。研究人员在PBDB-T-b-PTY6和PBDB-T:PTY6薄膜中测量了超过60%的空穴转移效率。研究结果说明了嵌段共聚物PBDB-T-b-PTY6薄膜比具有相同分子有序的物理共混异质结体系具有更大的自由电荷生成优势。因此，随着有机合成方法的发展，嵌段共聚物薄膜的得到优化，制备出质量更好的薄膜，在提高空穴转移效率和光电转化效率方面具有很大的潜力。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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