Nature Energy：有機太陽電池中非輻射電壓損失的統一描述

第一作者：Xian-Kai Chen

通訊作者：Deping Qian，Veaceslav Coropceanu，Jean-Luc Bredas，Feng Gao

通訊單位：亞利桑那大學，瑞典林雪平大學

DOI：https://doi.org/10.1038/s41560-021-00843-4

背景

在過去的五年中，單結有機太陽能電池的功率轉換效率從11%躍升至18%，日益縮小與無機和混合半導體太陽能電池的差距。有機電激發發光器件的PCE快速發展的一個突破是電壓損耗的大幅降低。特別是，目前主要的努力集中在減少由于供體:受體(D:A)界面處的非輻射電荷復合(ΔV_nr)引起的電壓損失；然而，目前在高效振蕩器中獲得的大約0.17伏的最小ΔV_nr值仍然大于無機器件中的ΔV_nr值。因此，基于非富勒烯受體(NFA)的有機太陽能電池的最新進展是降低了非輻射電壓損失(ΔV_nr)。

研究的問題

本文發現，與傳統供體(富勒烯混合物)中觀察到的能隙律依賴相反，最新的供體(NFA)的有機太陽能電池的ΔV_nr值與供體受主界面的電荷轉移電子態的能量沒有相關性。通過結合隨溫度變化的電激發的發光實驗和動態振動模擬，本文為基于富勒烯和?NFA 的設備提供了的統一描述。本文強調了局部激子態的熱群在低?ΔV_nr?系統中所起的關鍵作用。一個重要的發現是，原始材料的光激發發光決定了ΔV_nr變化率的下限。本文還證明，在不犧牲電荷產生效率的情況下，可以使ΔV_nr的降低(例如，<0.2?V)。本文的工作為設計具有高發光效率和延伸到近紅外區域的互補光吸收帶的供體和受體材料提供了一個新思路。

圖文分析

圖1 |作為t_LE-CT和ΔE_LE-CT的函數的D:A混合物的發射譜線形狀

要點：

• 為了評估LE–CT雜交和熱群體的各自作用，首先考慮低溫情況是有益的，其中只有最低的LE–CT振動狀態是熱群體（population）。圖1b顯示了在30 K時ΔE_LE-CT= 250meV的計算發射光譜，作為1–50meV范圍內t_LE-CT值的函數。
• 圖1c展示出了在室溫下用同一組參數獲得的結果。對于小t_LE-CT，發射由熱填充的LE振動狀態的電子躍遷進行控制。整個光譜類似于純供體或受體材料的光譜。對于較大的t_LE-CT值(即強LE-CT雜交)，光譜線型從LE類型轉換回CT型。

圖2 |作為t_LE-CT和ΔE_LE-CT函數的非輻射電壓損失

要點：

• 本文利用三態模型來研究ΔV_nr和微觀參數之間的關系。結果取決于CT和LE態的輻射和非輻射衰變速率常數。K_r、K_nr和ΔV_nr對ΔE_LE?CT和t_LE-CT的依賴關系如圖2a，b所示。

圖3 |ΔV_nr與界面E_CT的關系

要點：

• 本文現在關注的是上述發現對具有小能量偏移量的混合物的影響，這種混合物提供了最先進、高效的OSC。在圖3a中，本文總結了40多個以前報道的和新的基于NFA的OSC與小的或可以忽略的ΔE_LE?CT混合物的ΔV_nr值.
• 為了使圖3a中顯示的實驗觀察結果合理化，本文對一系列D：A系統(見圖3b)的ΔV_nr對E_CT的依賴性進行了模擬。雖然圖2b描述了t_LE-CT和ΔE_LE?CT如何影響ΔV_nr值，但圖3b的目的是直接解釋圖3a中所示的實驗數據。

圖4 |電荷產生效率與器件ΔV_nr的關系

要點：

• 從圖4中得到的關鍵結果是：電荷產生效率和ΔV_nr值并不相關。對于D：A與大的ΔE_LE?CT混合，足夠的激子解離驅動力預計將導致有效的電荷產生；然而，這是以犧牲大的ΔV_nr為代價的，正如傳統材料系統所報道的那樣(如圖4所示)。

結語

本文提供了有機太陽能電池中非輻射電壓損失的統一描述。本文的綜合實驗和理論結果表明，低ΔV_nr值是在非富勒烯受體基共混物中獲得的，其具有小的ΔE_LE-CT電流變偏移，這是由于高發射?LE 狀態與界面 CT 狀態以及重要的 LE 狀態的熱群的電子雜化的結果。一方面，本文能夠解釋在基于富勒烯的混合物中發現的能隙定律依賴性，另一方面，在最先進的基于NFA的混合物中ΔV_nr和CT態能量之間缺乏相關性。本文發現原始材料組分的光激發發光效率決定了有機太陽能電池中ΔV_nr的極限。這是一個關鍵點，因為這意味著振蕩器的有源層可以設計成具有與肖克利-奎塞（Shockley–Queisser）模型定義的最佳能量范圍相對應的光學間隙，而不必在接近電壓方面付出代價。此外，在不犧牲混合物的電荷產生效率的情況下，可以獲得小的ΔV_nr值。本文的工作指出，需要設計具有高發光效率和延伸到近紅外區的互補光學吸收帶的供體和受體材料，從而為下一代高效的有機電激發發光混合物提供明確的策略。??

本文由SSC供稿。