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Identification d'une voie de dissociation des excitons intramoléculaires spécifique au pont dans les polymères conjugués alternés donneur–π–accepteur

Résumé

La dissociation des excitons intramoléculaires est essentielle pour la génération de porteurs de charge mobiles à haut rendement dans les cellules solaires organiques. Pourtant, malgré beaucoup d'attention, les effets des ponts sur la dynamique de dissociation des excitons dans les polymères conjugués alternés donneur-π-accepteur (D-π-A) restent encore incertains. Ici, en utilisant une combinaison de spectroscopie d'absorption transitoire (TA) résolue en temps femtoseconde et de spectroscopie en régime permanent, nous suivons la dynamique de relaxation des excitons intramoléculaires ultrarapides dans trois polymères conjugués alternés D-π-A qui ont été synthétisés par le groupe de Qin et nommés HSD-A , HSD-B, HSD-C. On constate que l'ajout d'unités thiophène sous forme de ponts conduira au décalage vers le rouge du spectre d'absorption à l'état d'équilibre. Surtout, nous révélons l'existence d'une nouvelle voie de dissociation des excitons intramoléculaires médiée par un état de transfert de charge spécifique au pont (CT′) avec le pic d'empreinte TA à 1200 nm dans les HSD-B et HSD-C à pont . Cet état CT′ entraîne des taux de capture d'électrons plus élevés pour HSD-B et HSD-C par rapport à HSD-A. Selon la proportion d'état CT′ et la recombinaison non géminée sont des étapes importantes pour la compréhension des rendements de conversion de puissance élevés en HSD-B par rapport à HSD-C. Nous proposons que cette voie de dissociation des excitons spécifique au pont joue un rôle important dans la dissociation des excitons intramoléculaires ultrarapides du matériau photovoltaïque organique D-π-A alternant les polymères conjugués.

Introduction

Les dispositifs photovoltaïques organiques (OPV) qui utilisent l'énergie solaire pour répondre à la demande croissante d'énergie dans le monde pourraient être considérés comme l'un des substituts les plus importants à la production de sources d'énergie propres et renouvelables [1,2,3,4]. Les polymères conjugués alternés donneur-accepteur, dans lesquels des blocs conjugués d'affinité électronique différente sont disposés alternativement le long de la chaîne principale des polymères, sont un excellent matériau électronique organique. Le fait qu'il présente des rendements de conversion de puissance (PCE) relativement élevés est en partie dû aux écarts optiques plus faibles qui permettent une collecte plus efficace des photons solaires dans le proche infrarouge (NIR) [5]. En conséquence, les dispositifs OPV constitués de polymères conjugués alternés donneurs-accepteurs pourraient devenir des alternatives économiquement viables aux cellules solaires à base de silicium [6,7,8,9].

Les dernières recherches de divers groupes ont montré que l'efficacité de l'OPV peut être améliorée en utilisant des copolymères alternés conjugués à faible bande interdite (comme on le voit dans les familles PCDTBT, PBDTTT et PTB) [10,11,12,13]. Une différence importante entre ces polymères est que la transition d'exciton au niveau d'énergie le plus bas présente des caractéristiques de transfert de charge partiel. L'état de transfert de charge intramoléculaire est considéré comme favorisant la séparation finale des charges à l'hétérojonction [14,15,16,17,18,19]. Il est donc raisonnable de s'attendre à ce que les propriétés des polymères donneurs à faible bande interdite soient étroitement liées aux performances des dispositifs. Cependant, le lien entre les performances des dispositifs et les propriétés inhérentes des polymères est encore indistincte. En particulier, la division ultrarapide des excitons et la dynamique des porteurs des polymères donneurs à faible bande interdite ne sont pas directement liées au PCE des dispositifs. D'une part, une masse de parcours parallèles et séquentiels à l'échelle temporelle ultrarapide et lente ne se trouve que dans des conditions liées à l'équipement. D'autre part, seule la division de l'exciton dans l'interface d'hétérojonction en masse donneur-accepteur (BHJ) pourrait être considérée pour conditionner le dispositif PCE [5]. Par conséquent, il est nécessaire d'étudier la dynamique des excitons et des porteurs des polymères donneurs à faible bande interdite pour optimiser le PCE des dispositifs photovoltaïques organiques D-A.

Une série de polymères conjugués alternés D-π-A a récemment été synthétisée par le groupe de Qin [20,21,22]. Par exemple, les copolymères HSD sont constitués de carbazole lié au 2,7 comme unité donneuse et de 5,6-bis(octyloxy)benzo[c][1,2,5] thiadiazole comme unité acceptrice, tout en ayant différents ponts . Le bloc donneur et le bloc accepteur sont directement polymérisés pour préparer le matériau photovoltaïque en HSD-A. Différemment, une unité thiophène agit comme le bloc donneur de connexion du pont et le bloc accepteur est noté HSD-B, ainsi que le bloc donneur et le bloc accepteur sont connectés par deux unités thiophène est noté HSD-C. Ils ont découvert que les ponts π dans les copolymères ont un effet significatif sur les propriétés des copolymères HSD. Différents ponts π affectent de manière critique la délocalisation électronique de la chaîne principale du polymère conjugué, la morphologie du film et les propriétés optiques, électrochimiques, de transport de charge et photovoltaïques des copolymères HSD [23]. Utilisation de copolymères HSD comme donneur d'électrons et PC71 BM en tant qu'accepteur d'électrons pour préparer des dispositifs photovoltaïques organiques, on constate que les dispositifs préparés avec des polymères HSD avec différents ponts π ont des PCE différents. Les dispositifs OPV avec HSD-A:PC71BM comme couche active ont démontré que le PCE est faible ; HSD-B:PC71BM présente un PCE de 5,4 % ; HSD-C:PC71BM montre un PCE de 2,15 % [20, 21]. Ces preuves indiquent que les copolymères donneurs ont un effet sur le PCE des cellules solaires polymères, mais la corrélation entre les performances des dispositifs et les caractéristiques inhérentes des copolymères donneurs telles que la structure, l'énergie et la dynamique des porteurs mobiles reste indistincte. Les processus de relaxation majeurs qui suivent l'absorption de la lumière sont importants pour déterminer les performances des dispositifs photovoltaïques. Par conséquent, il est impératif de comprendre la dynamique des excitons et des porteurs des copolymères HSD en suivant les excitons.

Le développement rapide de la technologie laser ultra-courte permet de surveiller et de suivre la formation et la rupture des liaisons chimiques dans les molécules et divers processus dynamiques au sein et entre les molécules avec une résolution temporelle femtoseconde et une précision spatiale élevée. Ce travail élucide les processus de dissociation des excitons et de relaxation ultrarapide des copolymères HSD en utilisant une combinaison d'absorption en régime permanent et de spectroscopie d'absorption transitoire résolue en temps femtoseconde. Les bandes spectrales caractéristiques ont été mesurées et analysées en détail, révélant un mécanisme de relaxation ultrarapide pour la dynamique de dissociation des excitons. Nos résultats donnent un meilleur aperçu des propriétés physiques des copolymères HSD et fournissent une base expérimentale pour améliorer le PCE des cellules solaires polymères.

Matériaux et méthodes expérimentales

Matériaux

HSD-A, HSD-B, HSD-C ont été fournis par le groupe de Qin, et la synthèse et la caractérisation de ces co-oligomères ont été montrées dans la littérature [20, 21]. Les structures moléculaires de ces co-oligomères sont présentées sur la figure 1a. La solution utilisée pour préparer ces co-oligomères était l'o-dichlorobenzène, avec une concentration d'environ 0,1 mg/ml. Cette concentration peut non seulement garantir qu'un bon signal résolu en temps peut être mesuré, mais peut également garantir que le chromophore est complètement séparé, de sorte que l'état excité ne sera pas éteint sous l'intensité d'excitation utilisée [24].

Structures moléculaires de trois polymères (a ) dans ce travail. Le bleu ombré et le rouge ombré désignent respectivement les parties donneuse et acceptrice. Spectres d'absorption en régime permanent (b ) et des spectres de photoluminescence en régime permanent (c ) de trois échantillons, HSD-A (rouge), HSD-B (vert), HSD-C (bleu), mesurés en o-dichlorobenzène

Mesures spectroscopiques

La spectroscopie d'absorption en régime permanent a été mesurée par un spectrophotomètre à double faisceau (Cary-5000, Agilent) et la spectroscopie de fluorescence en régime permanent a été mesurée par un spectromètre à fibre optique (USB-4000, Ocean Optics).

La spectroscopie d'absorption transitoire femtoseconde résolue en temps a été mesurée par un laser femtoseconde (Coherent), un amplificateur paramétrique optique (OPA, TOPAS) et un spectromètre d'absorption transitoire (Helios fire). Le laser femtoseconde généré par le laser femtoseconde est divisé en deux chemins à travers un séparateur de faisceau (1:1), dont l'un entre dans TOPAS et génère des impulsions de pompe avec différentes longueurs d'onde ; l'autre faisceau traverse à nouveau un séparateur de faisceau (2:98) et la petite partie du laser projeté pénètre dans le spectromètre d'absorption transitoire Helios pour générer des impulsions de sonde du continuum de lumière blanche (WLC) (420-780 nm, 820-1600 nm ).

Résultats et discussion

La figure 1a montre la formule structurelle des polymères conjugués HSD utilisés dans ce travail, les fragments donneurs sont marqués d'un cadre bleu et les fragments accepteurs sont mis en évidence par un cercle rouge. L'unité de thiophène agit comme le pont spécifique entre le donneur et l'accepteur, évitant séquentiellement la répulsion stérique entre les unités individuelles de donneur et d'accepteur. Comme indiqué précédemment, il peut également réaliser une séparation de charge à longue distance entre le donneur et l'accepteur, assurant ainsi un état de transfert de charge de longue durée [8]. La figure 1b présente les spectres d'absorption à l'état d'équilibre des trois polymères, et les spectres d'absorption des trois polymères avec différents ponts π présentent des formes similaires, caractérisées par deux bandes d'absorption distinctes. Le profil typique à deux pics a également été rapporté dans d'autres polymères conjugués, ce qui est une caractéristique unique des polymères conjugués D-A [25,26,27,28,29,30]. Les pics d'absorption de HSD-A sont à environ 370 et 490 nm, et ceux de HSD-B sont à environ 390 et 530 nm, et ceux de HSD-C sont à environ 420 et 540 nm. Ces deux pics d'absorption sont attribués à la transition π–π* avec le pic de plus faible énergie associé au transfert de charge intrachaîne [31]. Les positions des pics d'absorption en régime permanent sont affectées par le remplacement de différentes unités de ponts , ce qui entraîne le décalage vers le rouge des pics d'absorption principalement en raison de l'effet de délocalisation des électrons [32]. Nous avons effectué des calculs de chimie quantique sur des polymères, et les orbitales moléculaires frontières des polymères HSD ont été calculées et fournies sur la figure 2a. L'orbitale moléculaire occupée la plus élevée (HOMO) et l'orbitale moléculaire inoccupée la plus basse (LUMO) des trois échantillons sont représentées sur la figure 2a, et les écarts énergétiques HOMO-LUMO (ΔEH–L ) sont tracés sur la figure 2b. Il ressort clairement de la Fig. 2b que les écarts énergétiques HOMO–LUMO (ΔEH–L ) de HSD-A à HSD-B et HSD-C diminuent progressivement, ce qui est cohérent avec le décalage vers le rouge des spectres de HSD-A à HSD-B et HSD-C [33]. La figure 1c présente les spectres de photoluminescence (PL) des trois échantillons dans leur solution. Les spectres PL des trois échantillons sont similaires et cohérents avec les spectres d'absorption en régime permanent. Il est à noter que leurs pics se déplacent vers l'onde longue avec l'augmentation des nombres de thiophène. Les ponts π des polymères HSD peuvent régler le PCE des cellules solaires organiques fabriquées par le mélange de polymère HSD et de PC71BM, le PCE des dispositifs que nous avons utilisés dans cette étude est répertorié dans l'ordre suivant :HSD-B > HSD-C > HSD- A [20, 21].

Orbitales moléculaires frontières des copolymères HSD (a ) calculé à l'aide du jeu de base fonctionnel B3LYP-D3 avec 6-311G** et des niveaux d'énergie HOMO et LUMO (b )

La spectroscopie en régime permanent ne peut donner qu'une macro-description des états de transition électroniques globaux. Afin d'étudier comment les ponts affectent le PCE des dispositifs, nous avons en outre effectué des mesures d'absorption transitoire des trois polymères HSD, comme le montre la Fig. 3. Les graphiques des plages visibles (VIS) des trois échantillons (Fig. 3a– c) sont similaires, montrant trois caractéristiques spectrales. Le signal négatif (bleu clair sur la carte) à environ 500 nm est attribué au signal de blanchiment de l'état fondamental (GSB), car il correspond bien au deuxième pic d'absorption stable comme le montre la figure 1b. Les trois échantillons ont deux signaux d'absorption positifs (rouge clair sur la carte) dans la gamme visible, et les pics d'absorption sont respectivement à 600 nm et 750 nm, ce qui est considéré comme une absorption à l'état excité (ESA) [34]. Dans la plage de détection proche infrarouge (NIR) (Fig. 3d–f), les trois échantillons présentent des différences évidentes. Le HSD-A n'a pratiquement aucun signal d'absorption dans le proche infrarouge, mais le HSD-B et le HSD-C ont un signal d'absorption rouge sur une grande surface dans la plage de 800 à 1 500 nm.

Spectres d'absorption transitoire (TA) résolus en temps femtoseconde à différentes longueurs d'onde de sonde de différents échantillons. Cartes bidimensionnelles en fonction de la longueur d'onde de la sonde (500-1600 nm) sur excitation à 470 nm de longueur d'onde du HSD-A (a , d ); excitation à 500 nm de longueur d'onde du HSD-B (b , e ); excitation à 500 nm de longueur d'onde du HSD-C (c , f )

La figure 4 présente l'évolution temporelle des spectres d'absorption différentielle des trois polymères HSD sur une échelle de temps ultrarapide. Dans la plage de 490 à 780 nm, l'excitation à faible énergie photonique induit un large signal positif dans la région spectrale de 700 à 780 nm qui augmente rapidement avec le signal négatif dans la région spectrale de 490 à 600 nm en tant que GSB. Nous attribuons le large signal positif de 700 à 780 nm à l'absorption de l'état d'exciton (EX) comme suit. Premièrement, sa durée de vie est cohérente avec la durée de vie d'autres excitons dans les polymères isolés dans la littérature de 500 à 1 000 ps [35] et est beaucoup plus courte que la durée de vie de l'état de transfert de charge (CT) et de l'état de charge séparée (CS) , qui a une échelle de temps supérieure à quelques nanosecondes. Deuxièmement, il a une tendance dynamique similaire à celle du GSB dans les premières centaines de picosecondes. Un autre signal positif (pic à environ 600 nm) apparaît après quelques picosecondes, ce qui correspond à la formation de l'état de porteuse mobile (MC). Étant donné que les spectres d'environ 600 nm pourraient être raisonnablement attribués au fait que la superposition de l'absorption GSB et MC dans les expériences d'absorption transitoire. Le signal négatif initial à 600 nm est dû au fait que le signal du GSB est beaucoup plus fort que le signal d'absorption MC. Au fur et à mesure que le temps de retard augmente, la caractéristique TA positive apparaît lorsque l'absorption MC est plus forte que celle du GSB. De plus, la raison de l'enfoncement à 650 nm est que l'état excité instable revient à l'état fondamental en raison de l'émission stimulée (SE) et de la cohérence spectrale avec la fluorescence à l'état stationnaire. Dans les plages NIR, on peut voir que les signaux d'absorption des trois échantillons ont augmenté en 1 ps avec un pic à environ 1 ps, puis ont tendance à s'atténuer. Fait intéressant, la forme et la tendance d'atténuation des signaux d'absorption des trois échantillons sont différentes. Afin d'analyser ces différences plus en détail, nous avons effectué un ajustement des pics sur les spectres infrarouges, et les résultats sont présentés sur la figure 5.

Spectres de différence associés à l'évolution (EADS) en VIS-NIR de HSD-A (a ), HSD-B (b ), HSD-C (c )

Pic spectral d'absorption transitoire ajusté du HSD-A (a ) et HSD-B (b ) et HSD-C (c ) au temps de retard de 2 ps dans la plage infrarouge. La courbe noire représente le spectre d'absorption des échantillons à 2 ps, la courbe rouge est le spectre d'absorption ajusté et la verte est le signal spectral identifié dans le spectre

La figure 5 montre l'ajustement des pics des spectres d'absorption transitoire de HSD-A (a) et HSD-B (b) et HSD-C (c) avec un temps de retard de 2 ps dans la gamme infrarouge. Dans HSD-A, les spectres pourraient être bien ajustés par une analyse en une seule composante, tandis que dans HSD-B et HSD-C, ces spectres pourraient être mieux approximés par deux analyses en composantes différentes. Cela signifie que HSD-B et HSD-C ont un signal d'absorption de plus dans la gamme infrarouge que la dose HSD-A, ce qui est dû à l'ajout du pont thiophène. L'ajout du pont thiophène élargit la plage d'absorption des polymères dans le NIR, permettant aux HSD-B et HSD-C d'avoir un nouveau pic d'absorption proche de 1200 nm. Au début, ces deux signaux positifs ont un temps de montée étroitement lié à l'atténuation des pics EX, comme le montre la figure 6, qui montre que ces signaux positifs sont directement générés par les états EX. Les signaux positifs proches de 900 nm dans les trois échantillons pourraient être attribués à l'état de transfert de charge intramoléculaire (CT). Dans cet état, les excitons se divisent en paires trou-électron, et les paires trou-électron sont encore suffisamment proches pour générer la gravité de Coulomb [36, 37]. Un autre nouveau signal positif proche de 1200 nm n'est présent que dans HSD-B et HSD-C et s'accompagne également d'une atténuation de l'EX au début de la période, mais a une tendance d'atténuation différente de celle de l'état CT sur une longue fenêtre de temps. Il s'agit d'un nouveau canal de dissociation des excitons, et nous le considérons comme l'état CT′. Parce qu'il a des caractéristiques similaires à l'état CT, mais la dynamique de désintégration est différente de l'état CT.

Cinétique d'absorption transitoire EX (noir) et CT (rouge) et CT′ (bleu) pour HSD-A (a ) et HSD-B (b ) et HSD-C (c ), présentant la décroissance EX simultanément avec l'augmentation de CT et CT′

Comme le montre la Fig. 7, les courbes dynamiques de l'état MC, de l'état EX, de l'état CT et de CT′ dans HSD-A, HSD-B et HSD-C sont extraites et ajustées, respectivement, qui représentent l'évolution temporelle de différents Composants. La formule d'ajustement pour les courbes dynamiques est ∆A(t) = a1 exp(− t/τ1 ) + a2 exp(− t/τ2 ) + ··· + an exp(− t/τn ), où a1 , un2 , …an est des amplitudes, τ1 , 2 , …, τn correspondent à des constantes de temps [38, 39]. Le tableau 1 répertorie les composantes temporelles ajustées et les amplitudes relatives. A titre de comparaison, les amplitudes maximales sont normalisées. Il ressort clairement des données de l'ajustement d'état MC (Fig. 7a, b) que la vitesse de génération de porteuse de HSD-A est la plus rapide. Sa durée de vie de formation est de 6,43 ps, ce qui est plus court que 12,6 ps de HSD-B et 8,41 ps de HSD-C. Cependant, les porteurs de HSD-A se désintègrent rapidement après avoir été formés, tandis que HSD-B et HSD-C ont un processus de montée lente supplémentaire avec une constante de temps de 28,8 ps et 26,4 ps, respectivement. Cela pourrait rendre les transporteurs dans HSD-A plus difficiles à capturer, ce qui est probablement l'une des raisons du PCE inférieur des appareils. Dans l'état EX (Fig. 7c, d), les tendances de décroissance des trois échantillons sont évidemment différentes. HSD-A a une durée de vie de désintégration significativement plus longue, de sorte que la division des excitons est relativement lente. Dans HSD-B et HSD-C, il existe trois durées de vie de désintégration en 1 ns, une femtoseconde (0,712 ps pour HSD-B, 0,408 ps pour HSD-C) et une picoseconde (18,4 ps pour HSD-B, 7,96 ps pour Les durées de vie HSD-C) représentent la transition de l'état EX vers d'autres états. La durée de vie plus longue de centaines de picosecondes (735 ps pour HSD-B, 627 ps pour HSD-C) est du même ordre de grandeur que la durée de vie d'excitons précédemment rapportée de P3HT isolé. Par conséquent, on peut considérer que \(\uptau _{3}^{{{\text{EX}}}}\) dans l'ajustement EX est le plus susceptible d'être la durée de vie de l'exciton sans le processus de transition [35, 40] . Cependant, dans une longue fenêtre de temps, la recombinaison des excitons se produit dans HSD-C. La cinétique CT (Fig. 7e, f) de ces trois échantillons est mieux ajustée par trois composants de durée de vie. La constante de temps courte croissante, \(\uptau _{1}^{{{\text{CT}}}} <1\) ps, est étroitement liée à la durée de vie de décroissance simultanée de l'état EX, ce qui signifie la transition de Etat EX à état CT. De même, il existe également une bonne pertinence entre la durée de vie de décroissance de l'état CT \(\uptau _{2}^{{{\text{CT}}}}\) et la durée de vie croissante de l'état porteur \(\uptau _ {2}^{{{\text{MC}}}}\), indiquant le passage de l'état CT à l'état MC. En comparant les durées de vie de décroissance de l'état CT des trois échantillons, il peut être constaté que les durées de vie de décroissance de l'état CT de HSD-B sont significativement plus courtes que celles de HSD-A et HSD-C, indiquant que HSD-B a une décroissance d'état CT plus rapide taux. L'état CT′ (Fig. 7g, h) de HSD-B et HSD-C présente des courbes dynamiques différentes de l'état CT dans l'intervalle de 50 ps. Il a une durée de vie de transition plus longue \(\uptau _{2}^{{{\text{CT}}^{{\prime }} }}\), ce qui est en bonne corrélation avec \(\uptau _{3} ^{{{\text{MC}}}}\), qui représente la transition de l'état CT′ à l'état MC.

Ajustement cinétique de toutes les caractéristiques spectrales transitoires de trois échantillons. La figure montre la cinétique de 50 ps (a , c , e ) et 5000 ps (b , d , f ). Les coupes sont pour MC (a , b ), EX (c , d ), CT (e , f ), CT′ (g , h ) caractéristiques du spectre

Un schéma du diagramme énergétique simplifié pour les voies de relaxation des excitons est proposé sur la figure 8. La différence de conformation locale dans les polymères entraîne une variation d'énergie dans différents états. Par conséquent, ces états présentent des caractéristiques TA différentes. Dans les polymères HSD, l'état MC, l'état EX, l'état CT et l'état CT′ sont inévitablement proposés pour donner une explication plus raisonnable au mécanisme de relaxation des excitons. Les excitons générés après l'excitation lumineuse se diviseront rapidement en état CT et état CT′. Dans ces états, les excitons se divisent en paires trou-électron et sont encore suffisamment proches pour subir une attraction coulombienne. Avec le retard, l'électron-trou de l'état CT et de l'état CT′ continuera à se diviser en des états MC plus stables. Surtout, nous avons constaté que l'état CT′ n'existe que dans les HSD-B et HSD-C avec des ponts thiophène, ce qui ajoute un nouveau canal de division des excitons aux polymères HSD. Cela se traduira par des taux de capture d'électrons plus élevés pour HSD-B et HSD-C, ce qui est cohérent avec le PCE plus élevé de HSD-B et HSD-C par rapport à HSD-A. Pendant ce temps, le fait que le PCE de HSD-C est inférieur à celui de HSD-B pourrait être raisonnablement expliqué comme suit :(a) l'ajout de deux thiophènes comme pont π pourrait augmenter la séparation spatiale entre D et A, entraînant recombinaison en HSD-C. (b) Comme le montre la figure 5, la proportion d'état CT′ de HSD-B est significativement plus élevée que celle de HSD-C, ce qui détermine l'ensemble du PCE de HSD-B. Par conséquent, l'état CT′ dans les polymères HSD est essentiel pour qu'une capacité de capture d'électrons plus élevée se traduise par un PCE plus élevé des dispositifs polymères HSD.

Illustration schématique des états et des voies dans la dynamique de division des excitons des polymères HSD en solution

Conclusions

Dans l'ensemble, nous avons utilisé une combinaison de spectroscopie d'absorption en régime permanent et transitoire pour étudier l'impact des ponts π sur les copolymères HSD. Il a été constaté que l'ajout d'unités thiophène comme pont π conduirait au décalage vers le rouge du spectre d'absorption à l'état d'équilibre. Pendant ce temps, les données d'absorption transitoire indiquent que HSD-B et HSD-C avec unité thiophène comme pont π avaient un état CT′ supplémentaire avec le pic d'empreinte TA à 1200 nm, qui ajoute un nouveau canal de dissociation des excitons pour les polymères HSD. La présence de l'état CT′ rend le polymère avantageux pour la conversion photoélectrique. Parmi les trois polymères HSD étudiés dans ce travail, seuls HSD-B et HSD-C contenant un pont π ont des états CT′. Par conséquent, nous pensons que l'existence de ponts π favorise la génération d'états CT′. Cependant, le pont π ne peut pas être trop long. Par exemple, le polymère HSD-C avec deux thiophènes comme pont entraîne une recombinaison non géminée en raison de l'existence du pont trop long et affecte le rapport des états CT′. En outre, nous avons également élucidé les voies de relaxation de l'exciton en analysant l'ajustement dynamique de toutes les caractéristiques spectrales transitoires. Ces résultats fournissent des informations photophysiques importantes pour améliorer les rendements de conversion de puissance des polymères conjugués et le développement ultérieur des cellules solaires organiques.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données utilisés et analysés dans la présente étude peuvent être obtenus auprès des auteurs correspondants sur demande raisonnable.

Abréviations

D-π-A :

Donneur-π-accepteur

AT :

Absorption transitoire

CT′ :

État de transfert de charge spécifique au pont

OPV :

Photovoltaïque organique

PCE :

Efficacité de conversion de puissance

NIR :

Proche infrarouge

BHJ :

Hétérojonction en vrac

TOPAS :

Amplificateur paramétrique optique

WLC :

Continuum de lumière blanche

PL :

Photoluminescence

VIS :

Visible

GSB :

Blanchiment à l'état fondamental

ESA :

Absorption d'état excité

EADS :

Spectres de différence associés à l'évolution

EX :

État d'excitation

CT :

État du transfert de charge

CS :

Chargez l'état séparé

MC :

État de l'opérateur mobile

SE :

Émission stimulée


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