P3HT薄膜偏振发射特性与GO界面层调控机制研究及其在有机光伏器件中的应用

本研究针对有机光伏器件(OPVs)中活性层/缓冲层界面能量转移效率低的问题，通过引入氧化石墨烯(GO)改性PEDOT:PSS缓冲层，结合发射椭偏(EE)、拉曼光谱等技术，发现GO可显著增强P3HT:PCBM薄膜的线性偏振发射(S1/S0)和圆偏振组分(S3/S0)，优化后的器件表现出更均匀的能量转移和电荷分离效率，为界面工程提供了新思路。

　　

在追求清洁能源的时代，有机光伏器件(OPVs)因其低成本、柔性可穿戴等优势备受关注。然而，制约其发展的核心瓶颈在于活性层与电极间的界面能量损失——激子(光激发产生的电子-空穴对)在到达电极前就发生复合，导致转换效率低下。传统缓冲层材料PEDOT:PSS虽能改善界面接触，但对分子排列和能量转移的调控有限。如何通过界面工程优化这些光电转化过程，成为突破效率极限的关键科学问题。

针对这一挑战，来自巴西的研究团队在《Next Materials》发表创新研究，首次将氧化石墨烯(GO)引入PEDOT:PSS缓冲层系统，通过多尺度表征揭示了GO对活性层P3HT:PCBM偏振发射特性的调控机制。研究人员采用发射椭偏(EE)这一先进光学技术，结合紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、光致发光光谱(PL)和原子力显微镜(AFM)等方法，系统研究了GO对薄膜形貌、分子排列和光电性能的影响。

关键技术包括：通过动态旋涂法制备四种薄膜结构（含/不含GO的缓冲层搭配P3HT或P3HT:PCBM活性层）；利用AFM进行纳米级形貌和厚度表征；采用UV-Vis和PL分析光物理性质；创新性地应用EE技术解析偏振分辨的斯托克斯参数(S₀-S₃)，定量评估分子有序性和能量转移效率。

【结果与讨论】

1. 形貌与结构特征
   AFM显示含GO薄膜厚度减少36%-46%，表面更均匀。拉曼光谱中I_b/I_a比值(1444 cm^-1/1377 cm^-1)表明，GO单独存在时能保持P3HT分子有序性(比值1.40)，而PCBM会破坏π-π堆叠(比值1.16)，二者共存时GO可部分抵消PCBM的负面影响(比值1.25)。

2. 光物理性质演变
   UV-Vis显示GO引起蓝移并增强400 nm吸收，Tauc曲线计算的光学带隙(E_g)变化0.05 eV。PLE谱揭示GO和PCBM共同改变了激发路径，使460 nm和550 nm激发峰强度趋于平衡，表明界面态重组。

3. 偏振发射调控
   EE技术测得的关键参数显示：原始P3HT薄膜的线性偏振度(S₁/S₀)从515 nm处的39%衰减至800 nm处的6%，而含GO或PCBM的薄膜偏振度保持稳定(约30%)。特别值得注意的是，GO首次被证实可诱导显著圆偏振发射(S₃/S₀)，这可能源于GO手性中心的螺旋电荷转移。

4. 能量转移机制
   PL与EE谱关联分析表明，GO和PCBM协同促进激子离域化，使原本局域在520-650 nm的辐射复合拓展至更宽范围，同时PL强度降低85%，证实非辐射能量转移效率提升。

这项研究的重要意义在于：从分子层面阐明了GO通过界面偶极作用优化P3HT分子排列的新机制；开发了基于EE技术的偏振分辨表征方法，为评估有机半导体器件性能提供新维度；实验证实即使GO仅存在于缓冲层，也能通过长程相互作用显著改善活性层性能，这为简化器件结构设计提供可能。这些发现对开发高效率、低成本的有机光伏器件具有重要指导价值。