聚合物材料單線態裂分

單線態裂分（singlet fission, SF）是指當有機半導體材料受激發產生單線態激子後，通過一個自旋允許的裂分過程，形成兩個三線態激子的多激子產生現象。研究表明，單線態裂分在突破單層異質結太陽電池光電轉換效率的Shockley–Queisser定律限制、光催化、傳感、OLED、光晶體管及生物體系的光防護等領域具有廣闊的應用前景，近年來受到了研究人員的廣泛關注。基於SF的有機太陽能電池EQE達到126%、SF敏化的晶體硅太陽能電池EQE達106%等研究結果均已有報道，顯示出SF在太陽能電池器件方面重要的潛在應用價值。最近，利用具有SF的主體材料敏化OLED，成功實現了NIR電致發光器件的激子產率達100.8%。單線態裂分研究領域目前存在兩個最主要的問題是：（1）對SF產生的具體機理了解不夠深入，材料結構與SF的構效關係尚不清楚；（2）能產生SF的材料很少，尤其是具有SF的聚合物材料非常少，限制了對SF應用的進一步研究。

【成果簡介】

近日，武漢理工大學夏建龍教授課題組與北京大學裴堅教授課題組合作，利用瞬態光譜表徵技術，系統地研究了基於異靛藍的聚合物材料IIDDT-Me的激子動力學過程，發現了IIDDT-Me在稀溶液中具有高效的分子內單線態裂分，三線態產率可達160%~200%。瞬態吸收測試結果表明，IIDDT-Me稀溶液受光照激發後產生的單線態（S1）,快速裂分形成三線態激子對（TT態），TT態的生成通過三線態敏化實驗進一步確認。敏化實驗結果表明，SF產生的三線態激子對與敏化生成的三線態激子呈現相似的瞬態吸收，SF產生的三線態激子對的湮滅速率更快。同時還觀察到單線態裂分過程中形成了單線態（S1）、單線態與三線態對共存態（S1 + TT）、三線態激子對（TT）的動態平衡，平衡常數受單線態裂分的驅動力等因素影響。單線態、共存態和三線態激子對的壽命分別為~5.8 ps、~78 ps和~190 ps。此外，瞬態熒光光譜表徵結果顯示，SF生成的三線態對（TT）可以產生直接的熒光發射，發射波長隨著時間紅移，這一現象同時得到了溫度依賴的瞬態吸收實驗證實。進一步研究發現，IIDDT-Me在聚焦狀態下，分子內單線態裂分被完全淬滅，這是由於聚合物鏈發生聚集後，使得單線態能量降低。該成果以“New insights into the design of conjugated polymers for intramolecular singlet fission”為題發表在

圖1. 單線態裂分（singlet fission, SF）示意圖

圖2. IIDDT-Me的化學結構與紫外吸收。

a）IIDDT-Me的化學結構

b）醌式共振結構

c）單線態和三線態分子軌道

d）UV-Vis吸收

圖3. IIDDT-Me的瞬態吸收光譜

a）二維瞬態吸收光譜圖

b）620 nm 和720 nm的動力學

c）全局擬合結果

d）單線態（S1）、單線態與三線態對共存態（S1 + TT）、三線態激子對（TT）隨時間的演變

圖4. IIDDT-Me的瞬態熒光光譜

a）二維瞬態熒光光譜圖

b）不同時間的熒光光譜

c）全局擬合結果

d）660 nm、730 nm和770 nm的動力學擬合結果

圖5. 敏化實驗

a） 敏化實驗瞬態吸收光譜二維圖

b）蒽和IIDDT-Me的三線態動力學

c）SF生成三線態激子對與敏化產生的三線態激子的瞬態吸收對比

圖6. 聚集狀態下的瞬態吸收光譜

a）膜相中的瞬態吸收光譜二維圖

b）膜相中的瞬態吸收光譜的全局擬合結果

c）TCE溶液的瞬態吸收光譜二維圖

d）TCE溶液的全局擬合結果

該研究利用超快光譜技術，深入探索了基於異靛藍的聚合物材料IIDDT-Me受光照激發後的激子動力學過程，發現在稀溶液中IIDDT-Me具有高效的分子內單線態裂分，最高可生成160%~200%的三線態。然而，由於在聚焦狀態下，單線態能量降低，單線態裂分被淬滅。結果表明，設計單線態裂分材料時還必須要考慮到聚合物鏈之間相互作用的影響，該工作為開發具有單線態裂分的聚合物材料提供了新的設計思路。

閱讀更多 化學達人69 的文章

關鍵字: 科普 態裂 科學