香港城市大学/苏州大学，最新Nature！

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

有机光伏（OPVs）因其在柔性、轻质和低成本能量转换方面的潜力而备受关注。然而，非双分子复合会形成低能量的自旋三重态激子（T₁），这些激子通常被认为是不可逆的、非辐射弛豫的陷阱，导致了严重能量损失，限制了光电转换效率的进一步提升。

关键问题

目前，有机光伏的应用主要存在以下问题：

1、三重态激子捕获与损失

在大多数低带隙OPV系统中，电荷复合产生的T₁激子难以重新解离，通常以热能形式散失。

2、能级差导致的热力学障碍

由于传统非富勒烯受体的单线态-三线态能隙（ΔE_ST）较大，T₁向电荷转移态（CT）的转化在热力学上是不利的。

新思路

有鉴于此，香港城市大学任廣禹、林均叡、苏州大学陈先凯等人实验性地展示了一个包含窄单线态-三线态能隙非富勒烯受体的OPV系统，其中T₁激子可以通过界面电荷转移态重新解离以形成自由载流子。通过识别OPV混合物中受体三重态敏化后自由载流子种群的增加来证实这一点，并阐明了这种机制改变T₁和自由载流子种群演变的方式。揭示了分子中的轨道分布和聚集体中的激子离域如何影响凝聚相受体的单线态-三线态能量学，使T₁和自旋三重态电荷转移态之间的交通可控。通过将这种受体作为三元组分引入其他主机OPV系统，成功回收了三重态介导的损失，并通过最大化可提取光载流子的数量来提高OPV效率。这项研究加深了对OPV基础物理的理解，并展示了如何通过演示将低能T₁激子回收为可用的电荷而不是热量来开发未来的有机光电子学。

技术方案：

1、发现了OPV中T₁再解离的证据

利用fs-TAS和三重态敏化技术，观测到T₁信号衰减伴随CS信号增加，证实T₁可解离为自由电荷。

2、研究了T₁对抗松弛解离

通过ns-TAS与模拟，证明FTh-4F具有极高的T₁到3CT转化速率，打破了T₁向基态弛豫的垄断路径。

3、实现了T₁解离的关键因素

分子侧链设计与离域效应降低了ΔE_ST（~0.20 eV），使T₁与CT态能级接近，扫清了再解离的热力学障碍。

4、证实了T₁回收有益于OPV性能

三元策略回收了三重态损失，使J_SC和FF显著提升，最终助力OPV实现了20.5%的破纪录效率。

技术优势：

1、首次通过实验证实了T₁激子再解离路径

本文首次通过瞬态吸收光谱（TAS）和三重态敏化实验，直接观测到T₁激子转化为自由电荷的过程，打破了T₁是性能“终点”的传统认知。

2、提出的三元策略实现了效率突破

通过引入具有窄ΔE_ST特性的FTh-4F受体，成功回收了其他系统中的三重态损失，实现了高达20.5%的光电转换效率。

技术细节

OPV中T₁再解离的证据

研究团队利用飞秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）研究了D18:FTh-4F混合体系的载流子动力学。在800 nm激发受体后，观测到局部激子（LE）向离域单线态激子（DSE）的转化，随后在数十皮秒内发生空穴转移形成自由载流子（CS）。不同寻常的是，T₁激子的寿命明显短于CS寿命，这与传统体系中T1作为弛豫终点的现象完全不同。为了验证T₁能否再解离，团队引入了三重态敏化剂PtOEP。在选择性激发敏化剂后，T₁种群在500 ps内大量产生，随后观测到GSBD和CS信号在数千皮秒内持续增加，而T₁信号相应衰减。这一结果有力证明了产生的自由载流子直接源自三重态激子的再解离，而非传统的单线态路径。

图  fs-TAS测量三重态激子再解离的动力学

T₁对抗松弛解离

通过纳米秒瞬态吸收光谱（ns-TAS），研究者对比了D18:FTh-4F和易产生三重态陷阱的D18:BrQx-4BO体系。在BrQx-4BO体系中，CS信号随T₁的形成而剧烈衰减，遵循传统的CS→3CT→T₁→GS路径。相比之下，FTh-4F体系展现出极低的三重态积累和极长的CS寿命。速率方程模拟显示，FTh-4F体系中T₁向3CT转移的速率常数比率（kCT3/kBCT3 ≈ 0.18）远高于BrQ_x-4BO（≈ 0.0015）。这意味着在FTh-4F中，T₁更倾向于重新转化为3CT态并进一步解离为自由电荷，从而在动态平衡中有效抑制了流向基态的非辐射损失。这种“回收循环”机制使得T₁不再是能量的死胡同。

图  ns-TAS测量共混膜中的电荷复合动力学

实现了T₁解离的关键因素

实现T₁回收的核心在于调控单线态-三线态能量学。通过时间分辨双光子光电子能谱（TR-2PPE），测得FTh-4F的ΔEST仅为0.20 eV，远小于BrQ_x-4BO的0.31 eV。在分子水平上，FTh-4F的噻吩侧链通过卤化诱导的吸电子特性，使得LUMO轨道部分分布在侧链上，增加了HOMO-LUMO的空间分离，从而降低了自旋交换能。在聚集态下，FTh-4F形成的二聚体展现出更强的电荷转移（CT）特性和更稳定的S₁能级，进一步缩小了ΔE_ST。此外，电场调节吸收光谱（EA）显示FTh-4F具有更大的偶极矩变化（Δμ = 7.05 D），表明其激子具有更高的离域程度和电子-空穴分离度，这些因素共同促进了T₁向CT态的快速转换。

图  FTh-4F、BrQx-4 BO及其共混物的单重态-三重态能量和激子离域程度

T₁回收有益于OPV性能

器件性能评估显示，D18:FTh-4F电池实现了19.0%的效率，尽管其电压略低，但短路电流（J_SC）和填充因子（FF）显著优于对比组。偏压相关的ns-TAS测量证实，FTh-4F体系在不同偏压下均保持极低的三重态浓度，说明光载流子能被高效提取。更重要的是，将FTh-4F作为第三组分引入富含三重态损失的D18:BrQx-4BO和D18:Y6-4BO体系中，不仅显著降低了T₁积累，还将光电转换效率分别提升至20.1%和20.5%。这一发现揭示了窄ΔE_ST受体在回收三线态损失方面的普适性价值。研究强调，通过分子工程优化T₁能级，可以在不损失过多电压的前提下，极大提升载流子提取效率，为开发下一代高效率有机光电器件开辟了新途径。

图  OPV器件性能和T1相关复合的操纵

展望

本研究通过深入的动力学分析和理论计算，揭示了非富勒烯有机光伏中非双分子复合产生的T₁激子并非必然的能量损失，而是可以通过合理的能级工程实现再循环。通过降低受体分子的ΔE_ST并增强激子离域，T₁激子能够通过界面CT态重新解离为自由载流子。这一发现不仅挑战了传统的OPV能量损失模型，还为通过三元策略提升现有光伏系统性能提供了理论指导和实践范式，对实现可持续的高效有机光电器件具有重要意义。

参考文献：

Li, Q., Kong, L., Mei, L. et al. Recycling of spin-triplet excitons in organic photovoltaics. Nature 652, 1204–1210 (2026).

 https://doi.org/10.1038/s41586-026-10419-5