太原理工大学王龙团队：新型电子受体型单线态激子裂分材料研究取得重要突破
太原理工大学王龙团队：新型电子受体型单线态激子裂分材料研究取得重要突破
近日，太原理工大学王龙课题组在单线态激子裂分材料领域取得重要突破。研究团队基于给受体醌式结构设计策略，成功开发出一种新型电子受体型单线态激子裂分材料。这种材料具有高消光系数、超快激子裂分速率和出色稳定性，展现出良好的器件应用前景。
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近日，太原理工大学王龙课题组报道了给受体醌式结构设计策略构筑四氰基醌式噻吩结构全新电子受体型单线态激子裂分材料。该分子体系具有高消光系数、超快激子裂分速率和出色稳定性，体现出良好的器件应用前景。在本文中，作者结合瞬态吸收光谱和多参考理论计算，全面解析了分子体系多激子态快速产生、解离和湮灭激子动力学过程，建立了多激子暗态精准探测的新方法。相关研究结果不仅设计发展了一种全新电子受体型单激子裂分材料，同时提出了常规给体-激子裂分型受体的光伏器件新方案，为激子裂分型光伏器件突破提供了新的思路。
背景介绍
单线态激子裂分(Singlet Fission, SF)是有机半导体材料捕获一个高能光子形成一个单线态并将其转化为两个三线态的过程。这一多激子生成过程能够有效缓解高能光子热损耗并倍增器件光电流，从而将单结太阳能电池33%的效率极限提升至45%，在高效光电转换领域有重要的应用前景。然而实际激子裂分型器件光电转换效率仍远低于常规器件，其主要根源在于适合器件应用的激子裂分材料种类有限，同时三线态激子有效利用途径匮乏。目前报道的激子裂分体系主要集中在并苯类及其衍生物等电子给体材料（例如并四苯和并五苯）。因此，在能量转换过程中，1）需要匹配深能级电子受体来实现有效的多载流子捕获；2）激子裂分给体到电子受体的单线态能量传递不可避免与多激子生成过程发生竞争。相比之下，电子受体型激子裂分材料则可以避免这些问题，然而这类型激子裂分材料目前研究很少。综上所述，设计发展电子受体型激子裂分材料，探索多激子应用新途径具有重要的研究意义。
本文亮点
（1） 全新电子受体型激子裂分材料：
在这项工作中，基于给受体醌式结构设计策略，作者构筑了基于四氰基醌式噻吩（CNBDT）骨架的全新电子受体型激子裂分材料（图1）。新分子体系具有强可见光吸收能力（消光系数接近105 M−1cm−1）、深LUMO能级（−4.23 eV）和超快激子裂分速率（(0.5 ps)−1）以及良好稳定性（半衰期142天）。研究结果表明CNBDT分子可以作为全新的电子受体型激子裂分材料，进行光伏器件的制备探索和尝试，可能为激子裂分的实际应用提供新的思路。
图1. 四氰基醌式噻吩结构全新电子受体型单线态激子裂分材料
（2） 多激子暗态精准探测方法：
通过多参考理论计算方法（XDW-CASPT2），作者详细描述了CNBDT分子激发态电子结构，捕捉到了关键的31Ag多激子（Multiexciton, ME）暗态（图2）。基于瞬态吸收光谱的激发态光物理表征，作者观察到了明态至多激子暗态的超快转换，并全面解析了分子体系多激子态快速产生、解离和湮灭激子动力学过程。基于此，作者建立了多参考理论计算结合瞬态吸收光谱多激子暗态精准探测方法，为激子裂分机理分析和新材料的设计筛选提供了科学依据。
图2. 多参考理论计算结合瞬态吸收光谱多激子暗态精准探测方法
总结与展望
综上所述，作者设计发展了全新的电子受体型单线态激子裂分材料，建立了多参考理论计算结合瞬态吸收光谱多激子暗态精准探测方法，并提出常规给体-激子裂分型受体的光伏器件新方案，为激子裂分型光伏器件突破提供了新的思路。
相关研究成果以Communications的形式发表在CCS Chemistry，太原理工大学硕士研究生王森浩为论文的第一作者，四川师范大学刘向洋博士是共同第一作者协助完成理论部分，太原理工大学王龙研究员、首都师范大学付红兵教授和北京师范大学崔刚龙教授为论文的通讯作者。该工作得到中国科学院化学研究所姚建年院士的大力支持和悉心指导。国家自然科学基金和山西省基础研究计划优青培育项目为本文提供了资金支持。
文章详情：
Acceptor-Type Singlet Fission Material Based on Strong Absorption Tetracyanothienoquinoid Skeleton
Senhao Wang†, Xiang-Yang Liu†, Mengfan Zhang, Long Wang*, Ganglong Cui*, Hongbing Fu* and Jiannian Yao
Cite this by DOI: 10.31635/ccschem.024.202303814
文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.024.202303814
本文原文来自CCS Chemistry