從單線態到三線態的系間穿越是光物理的重要基本過程, 同時, 具有大量三線態的有機半導體材料在光伏, 室溫磷光和光動力學領域都具有廣泛的應用前景. 因此, 設計併合成三線態有機半導體材料是材料領域的前沿熱點, 吸引了科學家的廣泛關注.
在有機太陽能電池領域, 三線態材料的工作機理一直存在不同的科學觀點. 早期的觀點認為三線態材料有利於提高激子的遷移距離, 因此有利於太陽能電池性能的提高; 近期的相關研究表明, 由於三線態-三線態湮滅 (TTA) 的過程的存在, 三線態材料可能不利於激子的遷移和電荷分離, 從而不適應於構建高性能的有機太陽能電池.
針對三線態的基本科學問題, 中國科學院大學材料科學與光電技術學院和中科院真空物理重點實驗室黃輝課題組近年來以碲吩材料為切入點, 系統研究了該類三線態材料在光電領域的應用, 以探討三線態材料的基本工作原理. 研究人員設計併合成了首個n-型碲吩共軛高分子材料, 並構建了性能優異的全聚合物有機太陽能電池 (ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8, 34620-34629) . 然後, 採用無規共聚的方法, 設計併合成了一系列無規共聚的n-型共軛高分子材料, 並構建了高響應度的全聚合物光電探測器 (ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10, 1917-1924) . 然而, 上述研究過程中, 由於材料自身性能的限制, 並未觀察到顯著的三線態產生, 因此未能夠對三線態材料工作機理進入較深入研究.
最近, 在國家自然科學基金委, 北京市自然科學基金委和中科院的支援下, 黃輝課題組設計併合成了一系列具有不同稠環程度的碲吩n-型有機半導體材料. 研究結果表明, 稠環程度對材料的物化性質和太陽能電池性能具有明顯的影響; 通過稠環程度的調控, 最終實現了能量轉換率大於7.5%的有機太陽能電池. 進一步研究表明, 該類材料具有很強的系間穿越, 產生了大量的三線態, 有利於提高激子的擴散距離. 同時, 由於該類材料的三線態能級不低於其電荷轉移 (CT) 態, 三線態激子能夠重新回到電荷轉移態並最終分離為自由遷移的電子和空穴, 因此有利於太陽能電池性能的提高. 該工作被審稿人認為 'concept novelty and significance' (概念性的新穎和重要) , 並發表於Angew. Chem. Int. Ed.上 (2018, 57, 1097) .
