聚合物材料的单线态裂分研究

Singlet fission (SF) is a multiple exciton generation process, by which a photo-excited singlet exciton is separated into a pair of triplet excitons. SF-based photovoltaic devices have the potential to exceed the Shockley–Queisser limit, and increase the maximum theoretical power conversion efficiency of single-junction solar cells from 33% to 44%. To date, the development of SF-based solar cells has been restricted by the poor understanding of the underlying mechanism of SF, as well as constrained by the limited number of materials capable of SF. This project intends to reveal the relationship between structure and efficiency in SF materials, by using the self-assembly of amphiphilic diblock copolymers to tune the morphology. In addition, we aim to study the SF mechanism in conjugated polymers. This will be accomplished by designing a series of “accept-donor” type conjugated polymers and the transient spectroscopy studies of exciton dynamics. Through the successful implementation of this proposal, we expect to get a better understanding of the underlying mechanism of SF, as well as provide new insight into the design of novel SF materials and the development of SF-base solar cells.

单线态裂分（Singlet Fission，SF），是指有机半导体吸收一个光子产生单线态激子后，形成两个三线态激子的多激子产生过程。基于SF的光伏器件有望突破Shockley–Queisser（SQ）定律限制，使单结太阳能电池的理论效率由33%提升至44%。目前，材料结构与SF的构效关系及SF的内在机理尚不十分清楚，能产生SF的高分子材料非常少且效率普遍较低，限制了SF在太阳能电池中应用的进一步研究。本项目拟利用嵌段共聚物自组装来调控SF材料的结构与形态，深入研究材料结构与SF的构效关系；此外，基于我们前期在SF方面的研究成果，设计和合成一系列“电子受体—电子给体”型共轭聚合物，利用超快光谱研究所制备材料的激子动力学过程，深入探索高分子材料的SF机理。通过本项目的成功实施，可以进一步深入理解SF的内在机理，为设计更多高效的新型SF材料，以及基于SF的太阳能电池研究提供理论基础和实验依据。

本项目以具有“电子受体—电子给体”型共轭聚合物材料为研究对象，结合超快光谱表征，详细考察了聚合物链之间相互作用对SF过程的影响，并深入研究了电荷转移作用对SF所生成三线态的衰减过程的影响。主要取得如下结果：1）发现基于异靛蓝的共轭聚合物IIDDT-Me在稀溶液状态下具有高效的分子内SF，三线态产率可达160%~200%，但是在聚集状态下由于S1态能级降低，SF被淬灭，结果表明，聚合物链之间的堆积作用可以影响激发态能级，进而直接决定了材料的SF性能；2）发现基于氧化噻吩的共轭聚合物材料的SF中间态（TT态）除受到电荷转移作用影响外，溶剂极性也可以调控TT态的能级，而TT态的非辐射跃迁由“能隙带定律”直接决定；3）深入研究了生色团之间的电子耦合作用对SF所生成三线态的动力学的影响。传统的观念认为SF的三线态中间体（TT态）通常直接解离生成自由的三线态（T）或者通过(TT) → S0的方式衰减，而我们发现并五苯衍生物中三线态对的主要衰减途径为3(TT)→ T1* + S0和T1 → S0。以上研究结果加深了我们对SF的机理及SF所生成三线态的湮灭机制的理解，并为设计和合成具有SF的新型聚合物材料提供了理论指导与实验基础。在本项目的共同资助下，已在Nature Communication等期刊上发表SCI论文12篇。