中文摘要：

聚合物薄膜太阳能电池原材料丰富、造价低廉、有实现大规模应用的前景。但其光电转换效率现仅有7%，仍需较大的提升。实验证明，金属纳米粒子和结构的表面等离子体激元可广泛用于增加无机和有机太阳能电池的光电转换效率。因此，深入研究表面等离子体激元对有机太阳能电池材料中、光激发态及光电转换过程的影响，有着重要的意义。本项目主要研究聚合物薄膜在引入金属纳米粒子和结构后的光学性质，将使用多种光学测量手段研究光生载流子在100飞秒到1毫秒时段内的时间分辨光谱，特别是1纳秒到1微妙段的特性。具体包括a)对光电转换效率的影响；b)施主受主电荷转移中间态的光学性质，及电荷产生和分离的动力学。c)近红外光子（能量低于聚合物带隙）激发的载流子动力学过程。目标是加深对等离子体激元和聚合物中光激发态相互作用的理解，为开发提高光生载流子产额的薄膜制备工艺提供物理基础，从而帮助提高聚合物光电池光电转换效率至10%以上。

结论摘要：

聚合物薄膜太阳能电池原材料丰富、造价低廉、有实现大规模应用的前景。经过近四年的迅速发展，基于聚合物光电池的光电转换效率从项目申请时的7%到现在的12%，已经初步迈过商业化的门槛。同时，针对聚合物光电材料的光激发态研究，特别是自由载流子产生的物理过程的清晰描述，一直也是人们关注的方向。我们使用多种光学测量手段研究多种聚合物光电薄膜中光生载流子时间的分辨光谱。我们的研究结果发现 1）在RR-P3HT/PCBM（噻吩/富勒烯）混合薄膜的瞬态光致吸收谱中，束缚载流子可以由光瞬时产生，利用退火等手段可以有效减少束缚载流子的形成。提出了一个模型来描述噻吩/富勒烯混合物的光生载流子的产生过程。该模型清楚区分了局域载流子、非局域(自由)载流子的产生过程。首次发现了有机光电混合材料中，亚皮秒时段内自由载流子能带和声子的反共振吸收现象。2）我们生长了有机材料不连续金属银的多层膜结构，有效的观察到等离子激元的激发。3）铂金属原子被合成入高分子链之后，极大的提高了自旋轨道相互作用，单态和三重态之间的系间窜越效率显著提高。通过调节高分子链中铂金属原子之间的距离，将不仅能够调节系间窜越速率，同时可以改变激发态的次序。例如，如果铂原子之间的距离只有一个苯环，这时金属配位体电荷转移态（Metal ligand charge transfer， MLCT）将会取代聚合物单态激子成为最低激发态。虽然MLCT在含有金属原子的小有机分子中有广泛报导，但在大分子聚合物中还较少涉及。据我们所知，我们的研究是首次观察到MLCT态作为聚合物中能级的第一激发态。4）我们的研究表明，无论是微晶化、还是无定形的聚合物光电薄膜形态，光激发态在微秒到毫秒时段内的复合机制都是双分子复合。而且都受到缺陷和杂志的影响，但热激发能量有显著不同(~30毫电子伏特 至 ~160毫电子伏特)。所以我们的实验或将为标定薄膜性质和质量提供一个可量化的标准。5）我们还进行了有机聚合物高分子在静态高压下的光激发态的研究，并且和理论工作者合作，提出链内激子和链间极化子对形成的耦合态在聚合物薄膜的光激发态中占有重要地位。这项工作可能从根本上开拓和加深了人们对聚合物光电性质的新认识。在此项自然科学基金的支持下，我们共发表SCI论文7篇，包括Scientific Reports 一篇， Organic electronics 两篇，和专著中的两个章节。