Advanced Materials:端基π-π排列减小单/三线态能级差 — 通往高效有机光伏之路

为提高有机太阳电池的能量转换效率,需要同时增强光吸收和减少能量损失。一方面,必须减小激子解离的驱动力以降低电压损失,因而要求单线激发态(S1)能级与电荷转移态(CT)相互靠近。另一方面,为抑制双分子复合引起的三线态衰减,需要提升三线激发态(T1)能级向CT态靠近。因此,亟需减小S1与T1态之间的能级差(ΔEST),尤其是窄带隙材料的ΔEST,因为它决定有机光伏器件T1态能级。虽然最大化分子内推-拉效应可极大地减小ΔEST,但是又不可避免地削弱S1态振子强度和光吸收。

中国科学院化学研究所易院平课题组针对这一问题提出并通过理论模拟证明:对于A-D-A型窄带隙小分子受体(ITIC、IT-4F和Y6),分子主要通过端基π-π相互作用进行排列堆积,不仅可以有效减小ΔEST,同时还能拓宽吸收光谱并且保持光吸收强度。相关结果以“Reducing the Singlet-Triplet Energy Gap by End-Group π-π Stacking Toward High-Efficiency Organic Photovoltaics”为题,在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202000975)。

首先,由于适度的分子内推-拉电子效应,ITIC、IT-4F和Y6单体分子具有中等大小的ΔEST(0.4-0.5 eV),同时保持大的振子强度(≈3)。进一步,分子动力学模拟的分子堆积结构表明这些小分子受体在薄膜中倾向于通过端基π-π排列方式进行堆叠,而量子化学计算证实端基π-π堆积能够显著降低S1态能级(接近0.1 eV),使吸收光谱红移或变宽,但是T1态能级基本不受影响。最后,对T1态动力学的计算表明,ΔEST的减小使得即使激子解离的驱动力很低,三线态衰减也能被有效抑制。该工作为优化窄带隙受体和给体分子材料,提高有机太阳电池能量转换效率提供重要的思路。