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在能源領(lǐng)域中，太陽能擁有天然氣、石油、煤炭等資源不具有的可再生特質(zhì)，已經(jīng)逐漸成為各個(gè)國家以及各研究機(jī)構(gòu)用以突破經(jīng)濟(jì)發(fā)展瓶頸的一大戰(zhàn)略性資源。
經(jīng)過 60 年左右的時(shí)間發(fā)展，自太陽能電池從軍事領(lǐng)域蔓延到民用家用等領(lǐng)域，電池效率從剛開始的不到 1％ 發(fā)展到現(xiàn)如今的超過 20％。時(shí)至如今，無機(jī)材料仍然作為太陽能電池的最主要原料，發(fā)揮著不可忽視的作用，但受制于原材料的價(jià)格以及來源。
基于制備簡單、原料來源廣泛、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，有機(jī)材料已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中展現(xiàn)了替代無機(jī)材料的趨勢(shì)，但由于有機(jī)材料的電荷遷移率低，非輻射復(fù)合導(dǎo)致的開路電壓低等問題，一直使有機(jī)太陽能電池在性能上無法與無機(jī)太陽能電池媲美。

基于此現(xiàn)象，劍橋大學(xué)物理專家理查德·弗倫德（Richard Friend），亞歷山大 J. 吉列特（Alexander J . Gillett）, 加州大學(xué)圣巴巴拉分?；瘜W(xué)與生物化學(xué)系教授 Thuc-Quyen Nguyen 以及蒙斯埃諾大學(xué) 大衛(wèi)·貝爾瓊（David Beljonne）等人提出一種新型的雜化策略[1]，通過識(shí)別確認(rèn)和抑制非輻射損耗途徑，使有機(jī)太陽能電池的效率提高到 20％ 以上成為可能。

理想的太陽能電池模型應(yīng)該只通過輻射復(fù)合途徑來轉(zhuǎn)換能量，即獲得 100％ 的電致發(fā)光外量子效率（External Quantum Efficiency，EQE）。

但實(shí)際上，往往有多種非輻射復(fù)合途徑影響了電池的性能，從而導(dǎo)致額外的電壓損失。影響 EQE 的因素有光致發(fā)光效率和輻射衰減復(fù)合比例。通過改變兩種因素，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的調(diào)控。

目前的大部分研究都是通過提高光致發(fā)光效率改善 EQE，該論文通過改變輻射衰減比例提供了一條提高太陽能電池效率的新思路。

在有機(jī)太陽能電池中，自由電荷的復(fù)合過程是通過電荷轉(zhuǎn)移激子的形成來進(jìn)行的，要求供受體中的分子三重態(tài)（T1）的能量低于自旋三重態(tài)（3CTE）。因此發(fā)生從3CTE到T1的反電荷轉(zhuǎn)移是可能實(shí)現(xiàn)的。由圖 1a-b 所示，3CTE 能夠由兩條路徑生成：雙生和非雙生電荷載流子對(duì)。反之，通過反電荷轉(zhuǎn)移生成 T1 也能夠由兩條不同的機(jī)制產(chǎn)生。

論文以四種聚合物供體和七種非富勒烯受體為例，以其中兩種材料為主要研究對(duì)象。

通過瞬態(tài)吸收和電子順磁共振的一系列手段來解析不同太陽能電池材料的器件性能和電子三重態(tài)之間的關(guān)系，在材料 PM6: Y6（圖 2a）的瞬態(tài)吸收光譜圖中，代表光誘導(dǎo)吸收帶的 1250nm 和 1550nm 隨著時(shí)間尺度的增加而逐漸消失，在 1450nm 出現(xiàn)了新的光誘導(dǎo)吸收帶，這是 Y6 的 T1 特征吸收帶。

瞬態(tài)吸收動(dòng)力學(xué)（圖 2b）顯示了生成 T1 過程中的通量依賴關(guān)系，表明三重態(tài)是由雙分子機(jī)制生成。使用高通量激發(fā)的時(shí)候，非雙晶復(fù)合過程迅速發(fā)生。通過圖 2c 的電子順磁共振結(jié)果可知，PM6: Y6 中存在非成對(duì) T1。

在另一種不能檢測(cè)到電荷轉(zhuǎn)移激子產(chǎn)生 T1 材料中，沒有觀察到光誘導(dǎo)吸收帶的出現(xiàn)，且動(dòng)力學(xué)測(cè)試沒有發(fā)現(xiàn)通量依賴的現(xiàn)象。這說明不能檢測(cè)到非成對(duì) T1 的重組途徑。并且在其電子順磁共振譜圖中，觀察到由自旋-軌道耦合介導(dǎo)的系間竄越形成的 T1。

文章用量化計(jì)算的方法深入研究了在 T1 形成過程中供受體之間的分子間相互作用機(jī)制，在一定的范圍內(nèi)自旋單重態(tài)是穩(wěn)定的，而自旋三重態(tài)不穩(wěn)定。

由于 S1 比單重態(tài)具有更高的能量，且 T1 比三重態(tài)能量低，會(huì)由于電荷轉(zhuǎn)移和局域激子之間的雜化引起反轉(zhuǎn)。由于最高占據(jù)分子軌道沿分子軸的垂直節(jié)點(diǎn)面序列相同，以及大量的分子重疊，造成配合物材料的電子耦合增強(qiáng)，進(jìn)而引起了雜化，抑制了反電荷轉(zhuǎn)移。

該文章通過論證 T1 對(duì)額外電壓損失的關(guān)鍵作用，提出了通過抑制 T1 的形成過程，使自旋三重態(tài)和 T1 雜化，進(jìn)而減少電壓損失的新思路。這條新方法的提出，足以使得電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 20％ 以上。

原標(biāo)題：新型有機(jī)太陽能電池雜化策略研究，使電池效率超過20％