Небольшие акцепторы энергии реорганизации обеспечивают низкие потери энергии в не

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3256 (2022) Цитировать эту статью

7952 Доступа

53 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Минимизация потерь энергии имеет решающее значение в стремлении к созданию высокопроизводительных органических солнечных элементов. Интересно, что энергия реорганизации играет решающую роль в процессах фотоэлектрического преобразования. Однако понимание связи между энергией реорганизации и потерями энергии изучалось редко. Здесь были разработаны два акцептора Qx-1 и Qx-2. Энергии реорганизации этих двух акцепторов во время процессов фотоэлектрического преобразования существенно меньше, чем у обычного акцептора Y6, что полезно для улучшения времени жизни экситонов и длины диффузии, содействия переносу заряда и уменьшения потерь энергии, возникающих в результате диссоциации экситонов и безызлучательной рекомбинации. . Таким образом, высокий КПД 18,2% при высоком напряжении холостого хода выше 0,93 В в смеси PM6:Qx-2 сопровождается значительно сниженными потерями энергии на 0,48 эВ. Эта работа подчеркивает важность реорганизации энергии в достижении малых потерь энергии и открывает путь к получению высокоэффективных органических солнечных элементов.

В последние годы органические солнечные элементы (OSC) привлекли широкое внимание из-за их легкости, возможности обработки в растворе и обеспечения недорогой подготовки полупрозрачных гибких тонкопленочных устройств большой площади1,2,3,4,5. Благодаря большим усилиям в дизайне материалов и оптимизации устройств6,7,8,9 эффективность преобразования мощности (PCE) OSC на основе нефуллереновых акцепторов Y6 (NFA) достигла 18% для бинарных устройств и 20% для тройных и тандемных устройств. устройства10,11,12,13. Тем не менее, по сравнению с неорганическими и перовскитными солнечными элементами, фотоэлектрические характеристики OSC все еще отстают из-за относительно более значительных потерь энергии14,15,16,17. В настоящее время напряжение холостого хода (VOC) большинства высокопроизводительных OSC по-прежнему ограничено 0,8–0,9 В18,19, а потери энергии обычно превышают 0,5 эВ20,21,22. Таким образом, для дальнейшего повышения эффективности OSC необходимо понять источник потерь энергии, а затем еще больше снизить их за счет рационального молекулярного дизайна.

Как правило, потери энергии в OSC в основном возникают из-за двух аспектов: движущей силы диссоциации экситонов и безызлучательной рекомбинации. Соответственно, было предложено множество стратегий для уменьшения потерь энергии; либо за счет уменьшения энергии связи экситона путем регулирования молекулярной упаковки, что минимизирует движущую силу, необходимую для диссоциации экситона23,24,25, либо путем подавления безызлучательной рекомбинации во время процессов фотоэлектрического преобразования, таких как распад экситона, перенос заряда (CT) распад состояния и негеминатная (бимолекулярная) рекомбинация22,26,27,28. Все эти безызлучательные рекомбинации связаны с электронно-колебательной связью (а именно с энергией реорганизации λ, которая описывает деформации молекулярной геометрии в ходе процесса переноса электрона и отражает взаимодействия между электронами и внутримолекулярными колебаниями). Более того, согласно классической теории переноса электрона Маркуса (\({k}_{{{{{{\rm{ET}}}}}}}={V}_{{{{{{\rm{if }}}}}}}^{2}\sqrt{\tfrac{{{{{{\rm{\pi }}}}}}}}{{{\lambda }k}_{{{{{{\ rm{B}}}}}}}{{{{{{\rm{T}}}}}}\hslash }^{2}}}\,{{\exp }}\left[-\tfrac{ {\left(\triangle G+{\lambda }\right)}^{2}}{{4{\lambda }k}_{{{{{{\rm{B}}}}}}}T}\ справа]\), где λ — энергия реорганизации, V — электронная связь между начальным и конечным состояниями, ΔG — изменение свободной энергии)29, малая энергия реорганизации способствует уменьшению движущей силы, необходимой для диссоциации экситона. Следовательно, энергия реорганизации играет решающую роль в фотоэлектрическом преобразовании и процессах потерь энергии для OSC.

В этой работе на основе NFA Y-типа в качестве молекулярного остова путем замены ядра, слитого с бензотиадиазолом (BTZ), на ядро, слитое с хиноксалином (Qx), были получены два низкомолекулярных акцептора, Qx-1 и Qx-2. спроектированы и синтезированы (рис. 1а, их полные названия приведены в дополнении). Исторически Qx и его производные продемонстрировали различные преимущества, такие как слабые электронодефицитные свойства, жесткая плоская структура, простота химической модификации и множественные положения замещения, которые могут хорошо регулировать их физические и химические свойства30,31,32,33,34 ,35. Результаты наших расчетов и экспериментов показали, что энергии реорганизации в процессах фотоэлектрического преобразования этих двух акцепторов существенно меньше, чем у акцептора Y6, что полезно для улучшения времени жизни экситонов и длины диффузии, содействия переносу заряда и подавления рекомбинации заряда. Следовательно, были достигнуты значительно сниженные потери энергии - 0,508 эВ и 0,482 эВ для систем Qx-1 и Qx-2 соответственно, что эффективно позволяет ЛОС обеих смесей достигать более 0,9 В с PM6 (донор полимера показан в дополнительных документах). Рис. 1) в качестве донора. Соответственно, высокий PCE 18,2% в смеси PM6:Qx-2 достигается при высоком VOC 0,934 В, токе АО 26,5 мА см-2 и коэффициенте заполнения (FF) 73,7%. Насколько нам известно, полученные на сегодняшний день потери энергии являются наименьшими для бинарных OSC с PCE более 17%. Таким образом, эта работа подчеркивает важность энергии реорганизации для достижения малых потерь энергии в органических активных материалах и открывает путь к получению высокоэффективных OSC.