[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究识别出在非富勒烯受体有机太阳能电池中，通过非发光NFA三重激发态（T1）发生电荷复合是主要的非辐射损失路径，导致PM6:Y6体系的开路电压降低高达60 mV。通过调控T1与自旋三重态电荷转移激发态（3CTE）之间的杂化，作者抑制了T1的形成，使反向电荷转移速率降低一个数量级，并展示了实现超过20%功率转换效率的设计路径。

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.

研究动机与目标

• 识别并量化限制非富勒烯受体（NFA）有机太阳能电池开路电压（Voc）的非辐射复合路径。
• 研究自旋三重激发态（T1）在开路条件下电荷复合中的作用。
• 提出一种分子工程策略，通过增强T1与自旋三重态电荷转移激发态（3CTE）之间的杂化，抑制T1的形成。
• 通过抑制T1实现非辐射电压损失的消除，展示通往20%功率转换效率（PCE）的路径。

提出的方法

• 本研究采用时间分辨荧光光谱和瞬态吸收光谱，追踪电荷复合与三重激发态形成的动力学过程。
• 利用量子力学计算模拟NFA的T1态与3CTE之间的电子耦合，以预测反向电荷转移速率。
• 基于调控分子轨道杂化以减小3CTE与T1之间的能级差，提出一种新的设计原理，从而抑制非辐射衰减。
• 理论建模预测，当杂化增强时，3CTE向T1的反向电荷转移速率可降低一个数量级。
• 作者通过合成并测试T1形成显著受抑制的NFA体系，验证了该设计策略。
• 分析聚焦于基准PM6:Y6体系，其中90%的复合过程通过T1进行，导致Voc降低60 mV。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非富勒烯有机太阳能电池中，开路条件下有多少比例的电荷复合通过非发光NFA三重激发态（T1）进行？
• RQ2 3CTE与T1态之间的能级排列和电子耦合如何影响非辐射复合损失？
• RQ3 3CTE与T1态之间的杂化在多大程度上可降低反向电荷转移速率并抑制T1的形成？
• RQ4 通过工程化调控这种杂化，能否带来开路电压和功率转换效率的可测量提升？
• RQ5 在PM6:Y6等先进NFA体系中，T1介导的复合对Voc的定量影响是什么？

主要发现

• 在PM6:Y6共混物中，开路条件下90%的电荷复合通过非发光NFA三重激发态（T1）形成发生。
• 该T1介导的复合路径导致开路电压（Voc）降低60 mV，构成主要的非辐射损失通道。
• 理论建模表明，增强3CTE与T1态之间的杂化可使反向电荷转移速率降低一个数量级。
• 通过分子设计抑制T1形成，可实现3CTE的重新解离，从而减少非辐射复合。
• 本研究确立了一条清晰的设计路径——通过受控调控T1与3CTE态的杂化——可消除该损失机制，并实现超过20%的功率转换效率。