Nature：電荷復合對有機太陽電池中三重態激子的作用

第一作者：Alexander J. Gillett

通訊作者：Alexander J. Gillett，Thuc-Quyen Nguyen，David Beljonne，Richard H. Friend

通訊單位：劍橋大學，蒙斯大學，加州大學圣巴巴拉分校

非富勒烯受體（NFA）在有機太陽能電池中的應用使其功率轉換效率高達18%。然而，有機太陽能電池的效率仍然低于無機太陽能電池，后者的功率轉換效率通常超過20%。造成這種差異的一個關鍵原因是有機太陽能電池由于非輻射復合，相對于它們的光學帶隙具有較低的開路電壓。為了使有機太陽能電池在效率上超過無機太陽能電池，必須識別和抑制非輻射損耗途徑。

來自劍橋大學，蒙斯大學，加州大學圣巴巴拉分校的科研團隊發現在大多數使用NFA的有機太陽能電池中，開路條件下的大部分電荷復合是通過形成非發射的NFA三重態激子進行的；在基準PM6:Y6混合物中這一比例達到90%，從而使開路電壓降低60mV。本文通過設計NFA三重態激子和自旋三重態電荷轉移激子之間的實質性雜交來阻止通過這種無輻射通道的復合。模型表明，從自旋三重態電荷轉移激子到分子三重態激子的背電荷轉移速率可以降低一個數量級，使自旋三重態電荷轉移激子重新解離。本文展示了抑制三重態激子形成的NFA系統。這項工作為太陽能電池的設計提供了一條途徑，其能量轉換效率可達20%或更高。相關工作以題為“The role of charge recombination to triplet excitons in organic solar cells”的文章在《Nature》發表。

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03840-5

三重態的形成途徑

³CTE的T₁形成是由³CTE的反電荷轉移(K_BCT)和重新解離(K_displation)速率之間的競爭決定的。由于³CTE可能由雙核 (圖1a)和非雙核 (圖1b)電荷-載流子對形成，因此考慮到反向電荷轉移到T₁也是重要的，可以通過兩種不同的機制發生。在使用富勒烯作為電子受體的有機太陽能電池中，T₁的產生是普遍觀察到的，并得到了廣泛的研究，盡管對器件性能的影響還存在爭議。本文通過研究九個高性能系統來考慮三重態在NFA有機太陽能電池中的作用。本研究中使用的四個聚合物給體和七個非飽和脂肪酸的結構如圖1c所示。

圖1. 三重態的形成途徑和有機太陽能電池材料。

NFA共混物模型中形成的三重態

在圖2a中，本文展示了PM6：Y6的瞬態吸收過程，抽運波長為532 nm，可用于優先激發PM6。在這里，本文只關注紅外光譜區，在那里我們通常可以發現T₁態的光誘導吸收。來自T₁光譜區的動力學(圖2b)揭示了T₁形成過程中強烈的通量依賴性，這表明三重態是通過雙分子過程產生的。T₁區最低和最高磁通的動力學偏離在亞皮秒時間尺度上開始，這表明當激發磁通較高時，非雙態復合發生得非常快。接下來，本文使用瞬態電子順磁共振波譜來研究雙T₁通路。在圖2c中，顯示了532 nm激發后PM6：Y6的光譜。另一方面，本文還關注了PTB7-Th:IEICO-2F，一種NFA混合物，其中無法檢測到電荷轉移激子產生T₁，其瞬態吸收如圖2d所示。此外，從IEICO-2F T₁區(圖2e)獲得的動力學不依賴于通量，這提供了額外的證據，表明非雙鏈T₁的形成不是一條可檢測到的復合途徑。

圖2.?NFA共混物模型中的形成三重態的光譜研究。

雜化在有機太陽能電池混合物中的作用

圖3a中顯示的結果表明，在0.5 nm以下，¹CTE迅速穩定，而³CTE不穩定。相比之下，本文探索的PM6：Y6配置具有預期的結果，即¹CTE高于³CTE(圖3b)。通過對激發態波函數的分析，本文得出結論：PTB7-Th:IEICO-2F中¹CTE和³CTE的反轉是由于電荷轉移和局域激子的雜化引起的。反轉的發生是因為NFA S₁比¹CTE有更高的能量，因為NFA T₁比³CTE有更低的能量，這些態的雜交因此穩定了¹CTE，破壞了³CTE(圖3c)。雜化的主要原因是PTB7-Th:IEICO-2F配合物中的電子耦合增強；這種增強的耦合是由于(i)最高占據的分子軌道具有相似的鍵-反鍵模式，沿著主分子軸具有相同的垂直節面序列(圖3d); (ii)NFA和聚合物主鏈之間近乎完美的配對提供了大量的分子重疊。

圖3.雜化在有機太陽能電池混合物中的作用。

小結

本文提出了一種有機太陽能電池混合物中(三重態)電荷轉移和局域激子雜交的設計規則：(I)相互作用的局域和電荷轉移激子態之間的緊密能量共振(最好小于100 meV)；(ii)供體和受體相互作用的前線分子軌道波函數之間的強烈重疊和相位匹配；以及(iii)?供體和受體材料之間的空間配對，用以實現強波函數相互作用所必需的緊密的分子間接觸。

本文由SSC供稿。