利用延长激子寿命改善有机太阳能电池中的电荷分离

Charge separation is one of the key factors influencing the performance of organic photovoltaic cells (OPVs). Due to the shorter lifetime of the photogenerated singlet exciton, radiative or nonradiative decay occurs more easily before the excitons diffuse to the interface between donor and acceptor (D/A) materials, which results in the insufficient exciton dissociation. The charge separation could be improved by using the bulk heterojunction device. However, there are some drawbacks existing in the device, such as large phase separation and discrete carrier channel, which are detrimental to the charge separation. Therefore, we plan to synthesize a series of cyclometalated Pt(II) complexes with square-planar coordination geometry. Owing to strong spin-orbital coupling of heavy metal, efficient intersystem crossing (ISC) in such organometallic species facilitates the formation of triplet excited states. As a result, the exciton lifetime is prolonged, which leads to the increased probability of excitons diffusing to the D/A interface and the improved charge separation. The designed cyclometalated platinum complexes as electron-donor materials are beneficial for the formation of triplet excitons and further improve the efficiency of charge separation.

电荷分离是影响有机太阳能电池性能的主要因素之一。由于吸收太阳光产生的单重态激子寿命较短，部分激子未扩散至给受体界面即发生辐射或非辐射失活，而没有进行有效的电荷分离。采用体异质结结构可以改善有机太阳能电池的电荷分离，然而相分离尺寸偏大和载流子通道不连续等缺陷，仍然使电荷分离效率较低。本项目拟设计合成平面四方配位构型的环金属化铂配合物，利用重原子效应增强的自旋轨道耦合作用，提高单重态和三重态之间的系间窜越速率常数，使单重态激子翻转形成三重态激子，延长激子寿命，进而增加激子迁移至给受体界面的几率，提高电荷分离效率。所设计的环金属化铂配合物作为电子给体材料，有利于单重态激子产生并形成三重态激子，进一步改善电荷分离效率。

激子寿命短是导致电荷不能有效分离的一个根本原因，因而通过优化器件改善电荷分离的同时，仍需改进材料自身性质，即延长激子寿命，以便增加到达界面处的激子数目，改善电荷分离效率。本项目首先利用重原子效应合成了环金属化铂(II)配合物，具有长寿命的铂(II)配合物对可见光的吸收能力较弱，光电转换性能较差；增强其吸收能力则寿命变为ns 级，不能延长激子寿命。其次，以S1和T1可以快速转换的热活化延迟荧光（TADF）聚合物材料作为有机太阳能电池电子给体材料，其寿命可与磷光金属配合物相媲美，具有延长激子寿命的作用，然而由于弱的吸收能力及低的电荷迁移率也未能获得理想的光电转换性能。此外，在前期工作基础上，改进铂(II)配合物和TADF聚合物的设计，合成了一系列高效的红光和绿光材料：一是利用具有扭曲结构的主链给体/侧链受体的策略，以三苯胺/噻吨酮或蒽醌为给/受体单元，合成了一系列具有红光TADF发射的聚合物，其中PCzSOTAQ2发光性能最佳，最大EQE高达13.6%，最大电流效率为12.2 cd/A，启亮电压为7.8 V；以吖啶/二苯甲酮为给受体单元获得绿光TADF的聚合物， PCzABP5性能最佳，启亮电压为2.6 V，最大电流效率为60.5 cd/A，功率效率为61.2 lm/W，最大EQE为18.1%，该类聚合物具有较低的起亮电压和低滚降效率，提高了器件综合性能；二是采用柔性连接发光核和外围树枝基团的方法，充分发挥树枝状配体屏蔽和隔离发光核的作用来抑制分子间相互作用，改善了红光铂(II)配合物的发光性能，其中，配合物C4-D2-1实现了最大亮度2820 cd/m2、最大流明效率22.1 cd/A和最大EQE 11.7%。本项目发展了红光铂配合物、红光和绿光TADF聚合物材料的设计方法，为将来设计和合成新的高效红光和绿光材料提供了理论依据和实验基础。