有机光电转换过程中的量子相干性研究

发布时间：2021-09-03 00:29

　　有机材料通过给-受体的异质结结构实现了从光能到电能的光电转换过程。相比于无机太阳能电池,有机太阳能电池具有柔性,易制作,低成本等诸多优势,但是光电转换效率较低一直是制约其推广的重要因素。解决这一问题需要进一步理解有机光电转换的物理机制。一般来说,有机光电转换过程主要分为四个步骤:1、材料吸收光子从基态跃迁到激发态产生电子空穴对;2、电子空穴对迁移到给-受体的界面上;3、电子空穴对发生电荷转移产生电荷转移态;4、电荷转移态进一步解离,最终形成自由的电子和空穴。本文重点关注了有机光电转换过程中的关键步骤1和3中的量子相干性。在自然界中光合作用体系中的量子相干性被发现后,如何利用量子相干性提高有机光电转换的效率成为领域研究的重点。步骤1中,传统观点认为由于热弛豫的存在,材料吸收大于带隙的光子最终也只能提供等于带隙的能量。而考虑具有量子相干性的单线态分裂过程后,高能量的单线态激子能在超快时间尺度内转换为两个低能量的三线态激子。这一多激子产生的过程能够有效减小体系中的热损失,具有打破单节太阳能电池效率极限的潜力。步骤3中,由于有机材料中光生电子空穴的库伦束缚能较大,设计器件时一般会选择0.3 e... 

【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：133 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

(a)体异质结太阳能电池基本结构;(b)光电转换基本物理过程”

??一般来说，光电转换过程主要分为四个步骤２１?（如图１．１（ｂ））：第一步，材料??吸收光子形成电子空穴对（激子）；第二步，激子扩散到给受－体或者ｐ－ｎ结的界??面上；第三步，发生电荷分离；第四步，电荷分离后形成的自由的电子和空穴被??电极收集，形成光电流。在无机材料中，光生激子的库伦束缚能较小，一般在??１０?ｍｅＶ量级，在室温下可以被热运动的能量克服，因而十分容易分离为自由电??荷。同时无机材料中电子和空穴的迁移率较高，扩散长度在微米量级，界面间分??离的电荷可以很容易的扩散到电极表面被电极收集，因而具有较高的光电转换效??率。在有机半导体中，材料吸收一个光子将最高占据分子轨道（ＨＯＭＯ）上的电??子激发到最低未占据分子轨道（ＬＵＭＯ）形成一个单线态激子。由于有机材料中??电子和空穴的波函数有非常大的重叠

图ｉ．４：多节太阳能电池示意图３５??突破Ｓ－Ｑ极限的方法有很多种３６＿３８，其中最简单的一种思路是采用很多中不??同能隙材料组合在一起形成一个多节太阳能电池３４３５３＜ＭＣ）（图１．４）。在这种情况??５??


本文编号：3380035