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多态性如何影响有机光伏中的界面电荷转移态？

DOI：10.1021/acs.jpcc.9b07709 期刊：The Journal of Physical Chemistry C 出版年份：2019 更新时间：2025-09-16 10:30:52
摘要： 有机光伏（OPV）器件中的体异质结是由聚合物（电子给体）与电子受体材料（通常是官能化富勒烯）组成的混合物，该结构对器件运行至关重要——激子在此处分裂为电子和空穴以产生电流。非富勒烯受体（NFAs）是提升器件效率的潜力新材料，其与电子给体聚合物的固态排列方式对电荷迁移率和OPV器件性能具有决定性影响。尽管已有大量NFA研究，但当前认知多源于经验性考量，关于堆积方式如何影响材料电荷传输特性的原子级机理阐释仍十分有限。本研究通过大规模（最高含3462个原子）密度泛函理论（DFT）模拟，针对实际尺寸的多种聚合物-NFA界面（其NFA区域由同种材料的多晶型体构成）的基态与激发态进行了研究，从而弥合了实验现象与"分子间π-π堆积作用在NFA相中的重要性"这一直观认知之间的鸿沟。研究表明：低连接度会导致激子高度局域化，而高连接度相中的激子能够实现多向离域；值得注意的是，还观测到具有三维离域特性的激子，其迁移率呈现各向同性特征（类似富勒烯体系）。此外，在具有高度互联NFA相的体系中，不仅观察到更低的电荷转移激子结合能，还发现聚合物最低激发态与界面首电荷转移态之间的能量损失更低，这表明此类界面的激子分裂概率更高，有望实现器件效率的提升。
作者： Gabriele Boschetto，Michal Krompiec，Chris-Kriton Skylaris
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研究概述 实验方案

研究目的

研究多态性如何影响有机光伏中的界面电荷转移态，重点关注聚合物与非富勒烯受体（NFAs）之间的相互作用及其对电荷迁移率和器件性能的影响。

研究成果

研究表明，多态性显著影响聚合物-非富勒烯受体界面的电子和光学特性，进而调控电荷转移态、激子局域化及器件性能。高度互联的非富勒烯受体相表现出更低的电荷转移激子结合能和能量损耗，这意味着激子解离概率更高，器件效率可能更优。该发现为设计高性能无富勒烯有机光伏器件提供了重要依据。

研究不足

该研究的局限性包括：采用PBE泛函（已知其会低估电荷转移态能量），以及在大界面中未对非富勒烯相进行几何弛豫（可能影响模拟准确性）。此外，研究仅聚焦于有限种类的非富勒烯分子及其多晶型，可能无法全面反映非富勒烯行为的多样性。

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