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摘 要

随着能源危机逐渐加重，许许多多的新能源材料也逐渐发展起来，其中有机光伏器件便是其中最有前景的一员。随着对OPV的深入研究，为了设计制备出更加高效的有机光伏器件，就必须深入探索和了解其内部的微观动力学。本文第一章介绍了有机光伏器件的历史和现状，以及其结构和机理，并介绍了三维PDIs的优点，随后简单介绍了超快光谱的工作原理、系统构造和图谱特征以及OPV在激光激发下的产物。

第二章介绍了实验中的实验过程、材料制备、表征分析等。第三章则介绍了OPV中激子的快过程和慢过程。随后，结合前线轨道理论重点讲解了有机光伏器件中电子传输机理，随着非富勒烯受体材料的应用，受体材料对光的吸收所带来的空穴传输开始无法被忽略，随后结合前线轨道理论讲解了空穴传输机理，并通过示例分析了科学家是如何在实验中运用超快光谱来分析电子传输机理的，也结合示例讲解了科学家如何运用超快光谱对受体材料进行选择性激发来研究空穴传输机理的。随后讲解了有机光伏器件中的复合问题，复合的种类及机理。并结合示例介绍了超快光谱在复合中的作用。

关键词：有机光伏器件；超快光谱；载流子运输；载流子复合

Abstract

As the energy crisis gradually intensifies, a variety of new energy materials are gradually developed, of which organic photovoltaic devices are among the most promising members. With the in-depth study of OPV, in order to design and prepare more efficient organic photovoltaic devices, it is necessary to deeply explore and understand the internal micro dynamics. The first chapter of this article introduces the history and current situation of organic photovoltaic devices, as well as its structure and mechanism, and introduces the advantages of three-dimensional PDIs, and then briefly introduces the working principle, system structure and pattern characteristics of ultrafast spectroscopy and OPV under laser excitation products.

The second chapter introduces the experimental process, material preparation and characterization analysis in the experiment. Chapter 3 introduces the fast and slow processes of excitons in OPV. Subsequently, combined with the front-line orbit theory, the mechanism of electron transport in organic photovoltaic devices was mainly explained. With the application of non-fullerene acceptor materials, the hole transport caused by the absorption of light by the acceptor materials cannot be ignored, and then combined Frontline orbit theory explains the hole transport mechanism, and analyzes how scientists use ultrafast spectroscopy to analyze the electron transport mechanism in the experiment through examples, and also explains how scientists use ultrafast spectroscopy to select acceptor materials with examples Excited to study the hole transport mechanism. Subsequently, the compounding problems, types and mechanism of compounding in organic photovoltaic devices were explained. Combined with examples, the role of ultrafast spectroscopy in recombination is introduced.

Key Words：Organic photovoltaics; ultrafast spectroscopy; carrier transport; carrier recombination

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 OPV结构 1

1.2.1 正式本体异质结结构 1

1.2.2 反式本体异质结结构 2

1.2.3 分子D-A结有机太阳能电池 2

1.3 OPV机理 2

1.4 三维PDIs类受体 2

1.5 超快光谱 3

1.5.1超快光谱在OPV发展中的作用 3

1.5.2 超快光谱系统构造 3

1.5.3 超快光谱的图谱特征 3

1.6 OPV中的激发产物 4

第2章 实验 5

2.1 实验内容 5

2.2 材料制备 5

2.3 材料表征 5

2.3.1 UV-Vis吸收光谱 5

2.3.2 瞬态吸收光谱 5

第3章 实验分析 7

3.1 OPV激子解离机理研究 7

3.1.1 OPV中超快光致电荷转移现象 7

3.1.2 超快转移现象的起因 7

3.1.3 超快光谱在探究激子解离中的应用 7

3.2 OPV中电荷转移 7

3.2.1 前线轨道理论 7

3.2.2 马库斯理论 8

3.2.3 电子转移过程 8

3.2.4 空穴转移过程 9

3.2.5 有关电子转移的超快光谱分析 9

3.2.6 有关空穴转移的超快光谱分析 11

3.3 OPV中的复合 13

3.3.1复合的种类 13

3.3.2 有关OPV中复合的超快光谱分析 14

第4章 总结 15

参考文献 16

致 谢 17

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着人类社会的发展与进步，人们对能源的需求越来越大，传统化石能源的使用对环境的巨大污染全世界有目共睹，并且在可预见的未来，终有一日这类能源会被使用殆尽。新型清洁能源的开发已经成为当下一个急不可待的任务，在诸多替代能源技术中，太阳能一直被视为解决能源和环境问题的最有希望的替代能源之一，这其中就包括了有机光伏器件(OPV)。有机光伏器件具有颇多独特的优点，例如其制造简单易于工业化，原材料价格低，器件整体柔韧性好等等。目前，实验室中的有机光伏器件的能量转换效率(PCE)最高已经达到了18.6％^[1]，实验室中的有机光伏器件的能量转换效率从最初的1％提高到目前的18％的水平经历了漫长的历程——1986年，Tang报道了OPV的开创性工作，其中使用铜酞菁和苝制造了两层有机光伏器件，其能量转换效率仅为1％，接下来的时间里该领域进展缓慢，限制其发展的主要因素是缺乏有效活性层分子。第一次突破是在1995年，当时发明了本体异质结(BHJ)结构的有机太阳能电池，并研究使用溶解性较好的富勒烯衍生物PCBM作为受体。多年来，由于PCBM具有高电子亲和力和出色的各向同性电子传输能力而被BHJ OPV广泛用作标准受体。经过这次改进，OPV进入了快速发展阶段，以PCBM为受体，给体材料的设计和合成已成为主要任务，随着研究人员的不断探索，PPV衍生物逐渐成为BHJ太阳能电池中的初代给体材料，由于这些材料的缺陷也比较突出，例如具有较大带隙，限制了器件电流，因此只能获得大约3％的PCE。

不久之后，科学家将区域规则的星形聚合物(P3HT用作给体材料，P3HT的运用使PCE提高到了5%左右^[2]。这证明了OPV的巨大潜力可以通过给体材料的设计和优化来实现。随后，研究人员设计了各种低带隙给体聚合物，其中PTB7及其衍生物可能是最著名和最具代表性的聚合物。同时，具有确定结构的小分子低聚物由于其无批次问题以及易于控制性能，引起了极大的关注。

在过去几年中OPV领域中PCE记录进行了频繁的更新。到目前，基于A–D–A分子的设备的效率已达到17–18％。这些结果表明，OPV的发展潜力巨大^[3]。

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