摘 要

目前文献报道的单结太阳能电池已逐步接近其Shockley-Queisser理论效率极限(33%)。单线态裂分有望打破单结太阳能电池的这一极限，为太阳能电池效率的提升提供一个新的增长点，因此近年来单线态裂分成为研究的热点方向。然而目前能发生单线态裂分的材料较少、单线态裂分的机理尚无定论，这些问题严重制约了单线态裂分的实际应用，这也是科研工作者亟需解决的问题。针对以上背景，本文选取四(并五苯基)螺二芴为研究对象，通过超快光谱研究其单线态裂分性质，以期了解其产生单线态裂分的内在机理。

关键词：四(并五苯基)螺二芴；超快光谱；单线态裂分

Abstract

The reported single-junction solar cells efficiency has gradually approached the Shockley-Queisser theoretical efficiency limit (33%) in recent years. Single-junction solar cells based on singlet fission have the potential to break this limit, providing a new growth point for solar cell efficiency. Therefore, it has become a hot topic in recent years. At present, there are mainly two challenges faced by singlet fission：materials capable of singlet fission is rare；the mechanism of singlet fission is a contradictive issue with no final verdict. These challenges severely restrict the application of singlet fission, which is also an urgent problem to be solved for researchers. Under the background stated above, this thesis selects tetrakis(pentaphenyl)spirobifluorene as the research object, and studies its singlet fission by ultrafast spectroscopy to know more about the mechanism of singlet fission.

Key Words: tetrakis(pentaphenyl)spirobifluorene; ultrafast spectroscopy; singlet fission

目 录

第1章 绪论 2

1.1 单线态裂分简介 2

1.1.1 研究背景 2

1.1.2 单线态裂分机理简介 3

1.2 分子间与分子内单线态裂分 6

1.3 基于并五苯的分子内单线态裂分 7

1.4 超快光谱实验原理、装置和方法 7

1.4.1 飞秒瞬态吸收光谱实验原理 8

1.4.2 飞秒瞬态吸收光谱实验装置 9

1.4.3 飞秒瞬态吸收光谱实验操作方法 12

第2章 溶液中的单线态裂分 13

2.1 引言 13

2.2 实验操作 13

2.3 结果与讨论 14

2.3.1 UV-vis稳态吸收光谱 14

2.3.2 瞬态吸收光谱与动力学分析 14

2.3.3 敏化实验 16

2.3.4 浓度依赖实验和能量依赖实验 18

第3章 膜相中的单线态裂分 20

3.1 引言 20

3.2 实验操作 20

3.3 结果与讨论 20

3.3.1 UV-vis稳态吸收光谱 20

3.3.2 瞬态吸收光谱与动力学分析 21

参考文献 23

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 单线态裂分简介

资料显示^[1]，单结太阳能电池的效率已逐步接近其理论极限，如何从理论方面找到突破其极限的方法成为亟待解决的问题。单线态裂分(singlet fission, SF)是一个自旋允许的可将一个高能量单线态激子转化为两个低能量三线态激子的过程，将这种多激子产生效应(multiple exciton generation, MEG)应用到单结太阳能电池中，可以吸收并利用高于半导体禁带宽度的能量，因此能突破单结太阳能电池效率的细致平衡效率极限(Shockley-Queisser极限)^[2]，将此极限由33%提高到44%。近年来单线态裂分现象受到了广泛的关注，然而目前单线态裂分研究领域存在两个主要问题：一是已有的能够产生单线态裂分的材料很少，二是单线态裂分的机理还不甚清楚。因此合成新的单线态裂分分子并研究单线态裂分的机理具有重要意义。超快光谱能够探测到电子激发态的大部分信息，借助超快光谱来研究单线态裂分是非常方便且有效的。

1.1.1 研究背景

1965年，为解释蒽晶体中的延迟荧光现象，单线态裂分概念首次被提出^[3]；1968年，其被用于解释并四苯晶体荧光极低的量子产率^[4]；1969年，对磁场效应的研究证明这一解释是正确的^{[5, 6]}；随后，又出现了更多复杂的理论，强调单线态裂分和其逆过程三线态-三线态湮灭的紧密联系，并希望最终定量地解释磁场效应对这两个过程的影响，有关工作总结在相关综述中^{[7, 8]}。虽然单线态裂分现象在上世纪六十年代就已发现，但是直到近年来该现象才受到广泛的关注。美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)太阳能电池效率提升轨迹图显示^[1]，近年来，单结太阳能电池的效率已经接近Shockley-Queisser极限，如何从理论上找到提升其效率的方法，成为科研工作者努力的方向。2006年Michl和Ratner等人提出单线态裂分可从理论上提高太阳能电池的光电转换效率^[9]，这引起了对单线态裂分的广泛关注。单线态裂分可突破单结太阳能电池的Shockley-Queisser极限，将其效率从33%提升到44%，同时，三线态激子较之于单线态激子更长的寿命也更利于器件的激子扩散，所以将单线态裂分材料用于单结太阳能电池具有广泛的前景。

目前单线态裂分仍处于基础研究阶段，即使忽略所有可能存在但尚未被提及的实际应用问题，关于单线态裂分应用的成本、单线态裂分太阳能电池在太阳光下的长期稳定性以及单线态裂分机理问题都没有得到很好的解答。如上所述，关于单线态裂分研究的问题，目前主要集中在：已有的单线态裂分材料较少，主要是二苯基异苯并呋喃(diphenylisobenzofurans)、类胡萝卜素(carotenoids)、并苯(polyacenes)及其衍生物(polyacene derivatives)等^[10]；单线态裂分的机理仍没有定论。所以现在很多工作集中在解释单线态裂分的详细机理，设计合成新的高效单线态裂分分子或聚合物。

关于单线态裂分的综述已有很多，最近的综述聚焦于全面系统的回顾单线态裂分、总结理论模型、总结几个单线态裂分分子设计的理念^[11]；相关研究领域的最新进展^{[12, 13]}；特定的单线态裂分发色团的光物理学研究^[14-16]；激发态的离域^[17]以及由单线态裂分经能量转换产生电流^{[13, 16, 18]}等。

1.1.2 单线态裂分机理简介

单线态裂分是单重激发态的有机发色团与相邻的基态发色团共享其激发能，并且两者都转化为三重激发态的过程。可以用一个近似的动力学模型来描述该过程：