单线态激子裂分 (Singlet Fission) 是有机半导体材料吸收一个高能光子、产生一个高能单线态激子并将其转化为两个三线态激子的多激子生成过程。基于该过程的光伏器件，可以有效降低高能光子的热损耗，同时使得器件内光电流增倍，进而大幅度提高光电转化效率。有机聚合物材料因其成本低、质轻和可大面积柔性加工等优点使其具备很好的商业应用前景。设计发展高效稳定的聚合物激子裂分材料对于激子裂分的实际光伏器件应用具有重要的意义。然而相比于小分子类型，目前已报道的聚合物激子裂分材料体系非常少，同时生成的多激子态还面临着分离困难等缺陷。
近日太原理工大学王龙博士、首都师范大学付红兵教授和美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL) Liu Yi博士联合报道了一类基于对位氮杂醌二甲烷结构醌式聚合物 (PAQ)、高效稳定的新型激子裂分材料。通过时间分辨的瞬态吸收光谱等表征手段，研究者们发展了一类高效稳定的聚合物激子裂分体系。进而对该体系的多激子态后续的分离情况进行了详细研究，为该体系的实际应用奠定了基础。这类型的醌式聚合物具有出色的光电器件表现，同时因其独特的醌式结构特性，满足激子裂分的一般能量要求[E(S1) ≥ E(T1)]。在溶液态聚合物表现为400-700 nm的宽吸收带，带边为696 nm (1.78 eV)；旋涂制备的薄膜则表现出明显红移的聚集态吸收，带边为772 nm (1.61 eV)，为激子裂分产生的三线态激子对的分离创造了有利条件。通过溶液态瞬态吸收和三线态敏化测试，研究者们发现光激发产生的单线态激子可以在0.2 ps内高效转化为多激子态 [1(TT)]。随后生成的多激子态可以沿着聚合物链去耦合形成部分分离的多激子态[1(T…T)]。最后部分分离的多激子态由于较快的三线态-三线态湮灭过程恢复到基态，并没有长寿命的三线态激子产生。而在薄膜样品中，瞬态吸收测试短延时表现出与溶液态非常类似的激发态演变过程，但长延时确实出现了长寿命的物种。经薄膜纳秒瞬态吸收和三线态敏化测试证实该物种是完全分离的三线态激子无疑。也就是说，激子裂分产生的多激子态在聚集态薄膜中可以发生有效分离最终生成长寿命的自由三线态激子，这为该激子裂分体系的实际光伏器件应用奠定了基础。相关研究成果在线发表于Journal of the American Chemical Society上。太原理工大学王龙博士为论文的第一作者兼通讯作者，首都师范大学付红兵教授和美国劳伦斯伯克利国家实验室 Liu Yi博士是该论文的共同通讯作者。该研究得到科技部、国家自然科学基金委、万人计划等项目的支持。王龙博士和付红兵教授研究团队一直专注于单线态激子裂分材料的研究，先后发展了基于戊搭烯（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 9400–9404）、异源二聚体（J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 5609–5615）、异靛蓝（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2003–2007）和双吡咯萘啶二酮（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 23, 10235–10239）等骨架化合物的高效激子裂分材料体系，为新型太阳能电池材料的设计开发和器件应用提供了新的思路。
王 龙 博士简介
王龙，太原理工大学助理研究员。2013年硕士毕业于兰州大学，导师王锐院士。2019年于中国科学院化学研究所取得博士学位，师从姚建年院士和付红兵教授。2019年08月起就职于太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室。研究领域是有机半导体材料设计合成与激发态光物理研究。以第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Sci. China Chem.、J. Phys. Chem. Lett.、Chem. Commun.等国内外著名期刊发表学术论文10余篇。L. Wang,* X. Liu, X. Shi, C. L. Anderson, L. M. Klivansky, Y. Liu,* Y. Wu, J. Chen, J. Yao, H. Fu*,Singlet Fission in a para-Azaquinodimethane-Based Quinoidal Conjugated Polymer， J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 17892–17896.https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c06604
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