有機功能材料中熱電轉(zhuǎn)換與載流子輸運的理論研究取得新進(jìn)展
有機材料作為一種新型光電功能材料，近年得到人們的廣泛關(guān)注，發(fā)光材料已經(jīng)在顯示和照明方面商業(yè)化，光伏轉(zhuǎn)換效率突破11%、熱電優(yōu)值超過0.4。但是，由于載流子的運動受到電荷局域化、無序/雜質(zhì)的散射等復(fù)雜因素，使得人們對載流子的微觀運動過程認(rèn)識不清，一直存在眾多的爭議，阻礙了材料設(shè)計。化學(xué)系帥志剛教授課題組針對這一問題，取得如下進(jìn)展：（1）與王冬副教授合作，采用玻爾茲曼方程，綜合考慮聲子散射和雜質(zhì)散射的競爭，并結(jié)合第一性原理計算，定量闡述了聚合物PEDOT中摻雜濃度對熱電轉(zhuǎn)換過程以及載流子輸運的影響。相關(guān)結(jié)果以“Unravelling Doping Effects on PEDOT at the Molecular Level: From Geometry to Thermoelectric Transport Properties.”為題，發(fā)表在Journal of the American Chemical Society 2015, 137(30), 12929-12938上（）?；瘜W(xué)系研究生石文是該文的第一作者；（2）與廈門大學(xué)趙儀教授合作，在先前他們共同提出的局域電荷量子核隧穿模型的基礎(chǔ)上，通過發(fā)展含時波包擴散理論，研究了電荷離域化與核隧穿之間的競爭關(guān)系，并針對5種高遷移率有機材料，定量地對比了這兩種效率的大小。結(jié)果表明，局域化電荷的量子核隧穿效應(yīng)在許多有機材料仍然是主導(dǎo)電荷傳輸?shù)臋C制，電荷離域效應(yīng)依賴于體系：有些材料不重要，有些材料需要考慮。該研究結(jié)果在電荷傳輸?shù)膬煞N極端模型，即半經(jīng)典Marcus理論和全離域的能帶理論之間架起了一座橋，更加普適。相關(guān)結(jié)果以“Nuclear tunnelling and carrier delocalization to bridge the gap between hopping and bandlike behaviors in organic semiconductors”發(fā)表在Nanoscale Horizon的創(chuàng)刊號上（http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2016/NH/C5NH00054H）。該文的第一作者江昱倩是化學(xué)系研究生。(3) 提出了有機材料給-受體之間電荷傳輸?shù)某粨Q機理及其第一性原理的計算方法, 給出了通過超交換機制來實現(xiàn)空穴傳輸、電子傳輸或者雙極傳輸?shù)哪芗壠ヅ錀l件。相關(guān)結(jié)果以“Understanding the charge transport and polarities in organic donor-acceptor mixed-stack crystals: molecular insights from the super-exchange couplings”為題，發(fā)表在Advanced Materials 2015, 27(8), 1443-1449。該文的第一作者耿華是中國科學(xué)院化學(xué)研究所副研究員，長期與帥志剛課題組合作。
摻雜PEDOT的電子結(jié)構(gòu)與熱電輸運性能
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5b06584
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