[論文レビュー] The role of charge recombination to spin-triplet excitons in non-fullerene acceptor organic solar cells

Alexander J. Gillett, Alberto Privitera+16 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2020

Organic Electronics and Photovoltaics参考文献 70被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、非フラーレン受容体有機太陽電池における主要な非放射的損失経路として、非発光性NFA三重励起子（T1）を介した電荷再結合を特定した。PM6:Y6系では、この機構によりオープン・サーキット電圧（Voc）が最大60 mV低下する。T1とスピン三重項電荷移動励起子（3CTE）のハイブリダイゼーションを制御することで、T1の生成を抑制し、逆電荷移動を1桁低下させ、20%以上の発電変換効率（PCE）を達成するための設計手法を示した。

ABSTRACT

The power conversion efficiencies (PCEs) of organic solar cells (OSCs) using non-fullerene acceptors (NFAs) have now reached 18%. However, this is still lower than inorganic solar cells, for which PCEs >20% are commonplace. A key reason is that OSCs still show low open-circuit voltages (Voc) relative to their optical band gaps, attributed to non-radiative recombination. For OSCs to compete with inorganics in efficiency, all non-radiative loss pathways must be identified and where possible, removed. Here, we show that in most NFA OSCs, the majority of charge recombination at open-circuit proceeds via formation of non-emissive NFA triplet excitons (T1); in the benchmark PM6:Y6 blend, this fraction reaches 90%, contributing 60 mV to the reduction of Voc. We develop a new design to prevent recombination via this non-radiative channel through the engineering of significant hybridisation between the NFA T1 and the spin-triplet charge transfer exciton (3CTE). We model that the rate of the back charge transfer from 3CTE to T1 can be reduced by an order of magnitude, allowing re-dissociation of the 3CTE. We then demonstrate NFA systems where T1 formation is suppressed. This work therefore provides a clear design pathway for improved OSC performance to 20% PCE and beyond.

研究の動機と目的

• 非フラーレン受容体（NFA）有機太陽電池におけるオープン・サーキット電圧（Voc）を制限する非放射的再結合経路を特定・定量すること。
• オープン・サーキット条件下でのスピン三重項励起子（T1）が電荷再結合に果たす役割を調査すること。
• T1とスピン三重項電荷移動励起子（3CTE）の間のハイブリダイゼーションを強化することで、T1生成を抑制する分子工学的戦略を開発すること。
• T1の抑制により非放射的電圧損失を排除することで、20%以上の発電変換効率（PCE）への道筋を実証すること。

提案手法

• 本研究では、電荷再結合および三重励起子生成のダイナミクスを追跡するために、時間分解光励起分光法および一時的吸光分光法を用いた。
• 量子力学的計算を用いて、NFAのT1状態と3CTEとの間の電子的結合をモデル化し、逆電荷移動率の予測を可能にした。
• 3CTEとT1のエネルギー差を小さくすることで非放射的崩壊を抑制するため、分子軌道のハイブリダイゼーションを調整する新しい設計原則を提案した。
• 理論的モデリングにより、ハイブリダイゼーションを強化することで、3CTEからT1への逆電荷移動率が1桁低下することが予測された。
• T1生成が顕著に抑制されるNFA系の合成と評価を通じて、設計戦略の妥当性を実証した。
• 分析は、再結合の90%がT1を経由するという特徴を持つ基準PM6:Y6系に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オープン・サーキット条件下におけるNFA有機太陽電池の電荷再結合のうち、非発光性NFA三重励起子（T1）を経由する割合はどの程度か？
• RQ2 3CTEとT1状態のエネルギー準位の整列および電子的結合が、非放射的再結合損失にどのように影響するか？
• RQ3 3CTEとT1状態の間のハイブリダイゼーションは、逆電荷移動率の低下およびT1生成の抑制にどの程度寄与するか？
• RQ4 このハイブリダイゼーションの工学的制御は、オープン・サーキット電圧および発電変換効率に測定可能な改善をもたらすか？
• RQ5 最先端のNFA系、特にPM6:Y6において、T1を介した再結合がVocに及ぼす定量的影響は何か？

主な発見

• PM6:Y6ブレンドでは、オープン・サーキット条件下での電荷再結合の90%が、非発光性NFA三重励起子（T1）の生成を経由する。
• このT1を介した再結合経路は、オープン・サーキット電圧（Voc）に60 mVの低下をもたらし、主要な非放射的損失チャネルである。
• 理論的モデリングにより、3CTEとT1状態の間のハイブリダイゼーションを強化することで、逆電荷移動率が1桁低下することが示された。
• 分子設計によるT1生成の抑制により、3CTEの再解離が可能となり、非放射的再結合が低減された。
• 本研究では、T1と3CTE状態の制御されたハイブリダイゼーションを通じて、この損失メカニズムを排除し、20%を超える発電変換効率を実現する明確な設計道筋を確立した。