[논문 리뷰] The role of charge recombination to spin-triplet excitons in non-fullerene acceptor organic solar cells

Alexander J. Gillett, Alberto Privitera외 16명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 21.

Organic Electronics and Photovoltaics참고 문헌 70인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 비풀러렌 수용체 유기 태양전지에서 비발광성 NFA 삼중자극 상태(T1)를 통한 전하 재결합이 주요 비방사성 손실 경로임을 규명하며, PM6:Y6 혼합물에서 개방회로 전압(Voc)을 최대 60 mV 감소시킨다. T1과 스핀 삼중자극 전하이동 자극 상태(3CTE) 간의 하이브리드화를 설계함으로써 저자들은 T1 형성을 억제하고, 역방향 전하 이동을 한 계급수 감소시켰으며, 20% 이상의 전력 변환 효율(PCE)을 달성할 수 있는 설계 경로를 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비풀러렌 수용체(NFA) 유기 태양전지에서 개방회로 전압(Voc)을 제한하는 비방사성 재결합 경로를 규명하고 정량화하는 것.
• 개방회로 조건에서 스핀 삼중자극 상태(T1)가 전하 재결합에 미치는 영향을 조사하는 것.
• T1 형성을 억제하기 위해 T1과 스핀 삼중자극 전하이동 자극 상태(3CTE) 간의 하이브리드화를 강화하는 분자 공학 전략을 개발하는 것.
• T1 억제를 통한 비방사성 전압 손실 제거를 통해 20% 전력 변환 효율(PCE) 달성 경로를 입증하는 것.

제안 방법

• 연구는 전하 재결합 및 삼중자극 상태 형성의 동역학을 추적하기 위해 시간 분해 광발광 및 일시적 흡수 분광법을 사용한다.
• 양자역학적 계산을 통해 NFA의 T1 상태와 3CTE 간의 전자 결합을 모델링하여 역방향 전하 이동 속도를 예측한다.
• 3CTE와 T1 간의 에너지 갭을 줄이기 위해 분자 궤도 하이브리드화를 조절하는 새로운 설계 원리를 제안한다.
• 이론적 모델링은 하이브리드화를 강화할 경우 3CTE에서 T1로의 역방향 전하 이동 속도가 한 계급수 감소할 것으로 예측한다.
• 저자들은 T1 형성이 크게 억제된 NFA 시스템을 합성하고 시험하여 설계 전략의 타당성을 검증한다.
• 분석은 T1를 통한 재결합이 90%를 차지하는 벤치마크 PM6:Y6 시스템에 집중되며, 이로 인해 Voc에 60 mV 손실이 발생한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비풀러렌 수용체 유기 태양전지에서 개방회로 조건에서 전하 재결합의 몇 퍼센트가 비발광성 NFA 삼중자극 상태(T1)를 통해 일어나는가?
• RQ2 3CTE와 T1 상태 간의 에너지 준위 정렬 및 전자 결합이 비방사성 재결합 손실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 3CTE와 T1 상태 간의 하이브리드화가 역방향 전하 이동 속도 감소와 T1 형성 억제에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 이러한 하이브리드화를 공학적으로 조절하면 개방회로 전압과 전력 변환 효율에 측정 가능한 향상이 이루어지는가?
• RQ5 최신 NFA 시스템인 PM6:Y6에서 T1 매개 재결합이 Voc에 미치는 정량적 영향은 무엇인가?

주요 결과

• PM6:Y6 혼합물에서 개방회로 조건에서 90%의 전하 재결합이 비발광성 NFA 삼중자극 상태(T1) 형성으로 인해 발생한다.
• 이 T1 매개 재결합 경로는 개방회로 전압(Voc)에 60 mV 감소를 초래하며, 주요 비방사성 손실 채널이다.
• 이론적 모델링 결과, 3CTE와 T1 상태 간의 하이브리드화를 강화하면 역방향 전하 이동 속도가 한 계급수 감소함을 보여준다.
• 분자 설계를 통해 T1 형성을 억제함으로써 3CTE의 재분리가 가능해져 비방사성 재결합이 감소한다.
• 이 연구는 T1과 3CTE 상태의 제어된 하이브리드화를 통해 이 손실 메커니즘을 제거하고 20% 이상의 전력 변환 효율을 달성할 수 있는 명확한 설계 경로를 확립한다.