香港大学AFM: Y型受体中电荷转移激子扩散的定量理解及其在高效有机太阳能电池中的应用

激子扩散长度(LD)是有机太阳能电池(OSCs)的关键参数。目前性能最优异的OSCs基于Y型非富勒烯受体材料(包括Y6及其衍生物)。近期研究表明，Y型NFA中会产生分子间电荷转移激子，但ICT激子形成对LD的影响尚未明确讨论。

本文香港大学Philip C. Y. Chow等人指出，由于皮秒时间尺度上ICT激子形成导致光学带隙附近光谱演化，忽略此现象可能导致瞬态吸收数据分析中显著高估Y型NFA薄膜的LD。此外，在使用激子-激子湮灭模型进行数值拟合时，采用ICT激子的本征弛豫寿命对于可靠提取扩散系数和LD至关重要。

最后，除了显示LD随π-π堆叠间距减小而增加外，这些结果还表明LD由溶液加工Y型NFA薄膜的晶域尺寸决定，表明已报道的LD可能尚未达到其理论极限。这些结果为在OSC材料中实现长程激子扩散提供了新思路，为实现具有更大晶域尺寸和膜厚的高效OSCs铺平了道路。

文章亮点：

揭示ICT激子形成对LD测量的关键影响研究发现Y型NFA中皮秒级ICT激子形成会导致光谱演化，若忽略此效应，可能使LD被高估近一倍(如从~39 nm高估至~56 nm)。

提出准确的LD提取方法强调在使用激子-激子湮灭模型拟合时，必须采用固态薄膜中ICT激子的本征寿命(而非溶液中的LE寿命)，并选择合适探测波段以避免瞬态电吸收信号干扰。

首次建立LD与晶域尺寸的直接关联通过GIWAXS/GISAXS分析，发现LD与π-π堆叠间距负相关，且与晶域尺寸(2Rg)高度匹配，表明晶域尺寸是限制激子扩散的关键因素，为通过调控晶域尺寸进一步提升LD指明方向。

Z. Wang, Y. Guo, H. Wang, et al. “ Quantitative Understanding of Charge-Transfer Exciton Diffusion in Y-Type Acceptors for Efficient Organic Solar Cells.” Adv. Funct. Mater. : e17322.