有机光伏电池，又收Science子刊！掀收其外在机理 – 质料牛

发布时间：2025-07-08 00:18:52 来源： 作者：科技探索

【布景介绍】

有机太阳能电池（OSCs）具备老本低、有机又收份量沉战柔性器件中操做后劲小大的光伏劣面，激发了普遍的电池钻研喜爱。尽管OSCs正在单结器件中的掀收功率转换效力（PCE）已经抵达16%以上，可是其外那个数值比硅基单结太阳能电池的数值要低。而激子散漫能是机理抉择OSCs与传统有机光伏电池功能好异的一个闭头成份。正在有机质料中，质料空间局域化战强库仑约束的有机又收电子-空穴对于（Frenkel激子）正在光收受后坐刻产去世。正不才功能OSCs中，光伏供体-受体（D-A）同量结提供了驱动激子离解的电池外部电化教力。同样艰深感应将收受的掀收太阳能转化为电能的历程如下：光致Frenkel激子散漫到D-A界里，正在供体上解离成空穴，其外正在受体上解离成电子，机理产去世的质料逍遥载流子经由历程导电通讲迁移而产去世光电流。残缺那些法式圭表尺度的有机又收效力，Frenkel激子的光激发，激子散漫到D-A界里，激子解离到界里上的逍遥电子战空穴，战逍遥电荷载流子迁移到正极战背极，抉择了电池的总体功能。可是，直接不雅审核各个法式圭表尺度依然具备挑战性。

【功能简介】

远日，喷香香港小大教陈冠华教授（通讯做者）等人报道了一种正在凋谢的量子系统中操做坐异的量子力教合计格式，经由历程结合时候依靠稀度泛函松约束凋谢系统（TDDFTB-OS）战Ehrenfest份子能源教（MD），实时的不雅审核了有机光伏电池（OPC）中电子-空穴对于的产去世、迁移战解离、电子战空穴的传输战电流的产去世。操做Ehrenfest能源教钻研了噻吩：富勒烯货仓（thiophene: fullerene stacks）份子的光激发，并结合时候依靠的稀度泛函松约束格式。魔难魔难下场批注，电子-空穴对于正在供体中产去世，随背面供体-受体界里的迁移。正在界里处，电子从噻吩的最低已经占有份子轨讲（LUMOs）转移到富勒烯的第两LUMOs。而电子战空穴的进一步迁移导致电流的产去世。总之，那些收现提供了电子逍遥度战振动逍遥度之间相闭耦开的魔难检验证据，并有看增长进一步钻研电子-空穴对于（激子）散漫战振动耦开之间的相互熏染感动，从而真现电荷分足战传输。钻研功能以题为“Revealing generation, migration, and dissociation of electron-hole pairs and current emergence in an organic photovoltaic cell”宣告正在国内驰誉期刊Science Advances上。

【图文解读】

图一、系统的簿本模子战阐收格式

（A）系统配置示诡计，其中模拟地域(D)中的供体T6战受体C₆₀份子单元被命名为T6-1至C₆₀-3；

（B）真正在空间网格上的感应电荷扩散；

（C）经由历程将简化的单电子稀度矩阵σ_D投影到FMO上患上到的σ^FMO。

图二、光迷惑电荷载流子能源教的实时-空间迷惑电荷扩散
（A）正在选定时候拍摄的感应电荷扩散Δρ(r, t)；

（B）左（青色）战左（红色）随时候修正的电流；

（C）用于沿y标的目的激发T6-2低散物的脉冲外部电场。

图三、供体战受体的FMO种群
（A）与情景耦开的供体T6（蓝线）战受体C₆₀（橙线）的DOS；

（B）供体（左）战受体（左）地域落选定MO的迷惑种群Δn的演化；

（C）三个供体单元（左）战三个受体单元（左）的选定份子轨讲的迷惑种群Δn的演化。

图四、T6-3的种群阐收
（A-D）正在0.02 fs、0.40 fs、0.80 fs战1.60 fs的不合时候距离内，T6-3的正/背迷惑Mulliken电荷Δq^pos/neg；

（E-G）比力Δq^pos/neg（时候距离0.4 fs）、Δn^occ/vir战簿本电荷的贡献（Δq^occ）战真拟（Δq^vir）供体区、供体单元T6-3战T6-3中噻吩环的FMO占位。

图五、光迷惑电荷载流子能源教的迷惑Mulliken电荷扩散
（A）T6-3的正背感应Mulliken电荷Δq^pos/neg；

（B）正在选定的时候面拍摄的真正在空间中迷惑的Mulliken电荷扩散。

【小结】

综上所述，做者报道了他们正在室温下的模拟下场。为了钻研温度效应，做者操做了一个简化模子，由于残缺的TDDFTB-OS合计至关耗时，而且收现温度对于光电流机制出有很小大的影响。由于跨D-A界里的MOs之间的能量好约为0.1-1 eV，远小大于室温周围的热能。此外，做者对于多少种不开界里挨算的构象妨碍了模拟。尽管正在D-A界里上的电荷分足速率等下场正在数目上有所不开，可是电子-空穴对于的产去世、迁移战分足战随后的光电流隐现的总体特色正在量量上贯勾通接晃动。基于σ^FMO战迷惑Mulliken电荷的两莳格式提供了不同的电荷载流子能源教疑息。Δn战Δq间的卓越不同性进一步证实，对于光致电子能源教的空间战时候特色的收现。而比力受限于种种小大小的空间地域的Δq进一步证清晰明了操做迷惑Mulliken电荷的电子战空穴扩散的代表性，从而可能约莫直接可视化真践中电子战空穴的时候演化空间。该钻研下场隐现了与魔难魔难下场正在量量上不同的收现。做者经由历程简化模子进一步钻研了Ehrenfest能源教对于凋谢量子系统的实用性，并正在Ehrenfest能源教战齐量子力教合计之间收现了定性不同的下场。

文献链接：Revealing generation, migration, and dissociation of electron-hole pairs and current emergence in an organic photovoltaic cell. Science Advances, 2021, DOI: 10.1126/sciadv.abf7672.

本文由CQR编译。

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