Новости

Jul 25, 2023

Снижение рекомбинации бимолекулярного заряда в эффективных органических солнечных элементах, содержащих не

Научные отчеты, том 13,

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 4717 (2023) Цитировать эту статью

1021 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Бимолекулярная рекомбинация заряда является одним из наиболее важных процессов потери в органических солнечных элементах. Однако скорость бимолекулярной рекомбинации в солнечных элементах на основе новых нефуллереновых акцепторов во многом неясна. Более того, природа пониженной скорости рекомбинации Ланжевена в солнечных элементах с объемным гетеропереходом в целом до сих пор остается малоизученной. Здесь мы исследуем скорость бимолекулярной рекомбинации и перенос заряда в серии высокопроизводительных органических солнечных элементов на основе нефуллереновых акцепторов. По результатам измерений темновой инжекции в установившемся режиме и дрейфово-диффузионного моделирования вольт-амперных характеристик при освещении наблюдаются коэффициенты уменьшения Ланжевена, достигающие более двух порядков величины. Уменьшение рекомбинации важно для высоких коэффициентов заполнения этих солнечных элементов. Обнаружено, что коэффициенты восстановления Ланжевена коррелируют с квадрупольным моментом акцепторов, который отвечает за изгиб зон на границе раздела донор-акцептор, образуя барьер для рекомбинации заряда. Таким образом, в целом эти результаты показывают, что подавление бимолекулярной рекомбинации имеет важное значение для работы органических солнечных элементов и обеспечивают правила проектирования новых материалов.

Разработка нефуллереновых акцепторов недавно ускорила повышение эффективности преобразования энергии органических солнечных элементов1,2,3. В результате эффективность однопереходных органических солнечных элементов достигла 18%4,5. Недавний переход от обычных фуллеренов к нефуллереновым акцепторам дал преимущества большей гибкости в настройке энергетических уровней, а также реализации спектра поглощения, дополнительного к спектру донорных полимеров1,6. Хотя был достигнут большой прогресс в эффективности органических солнечных элементов, содержащих нефуллереновые акцепторы, до конца не понятно, почему эти акцепторы работают так хорошо7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17 ,18,19. В частности, скорость бимолекулярной рекомбинации в этих солнечных элементах исследовалась лишь редко18,20,21,22,23. Известно, что негеминатная рекомбинация играет важную роль в коэффициенте заполнения солнечных элементов24, а также в напряжении холостого хода25 и, следовательно, в эффективности преобразования энергии. В то время как бимолекулярная рекомбинация в полупроводниках с низкой подвижностью во многом повторяет механизм Ланжевена26,27 и основана на диффузии противоположно заряженных носителей навстречу друг другу в их взаимном кулоновском поле, скорость бимолекулярной рекомбинации в эффективных органических солнечных элементах с объемным гетеропереходом может составлять порядки величина ниже, чем предсказанная скорость Ланжевена, основанная на подвижности носителей заряда28. Пониженную скорость рекомбинации Ланжевена можно описать согласно 29

где \(\gamma \) — коэффициент Ланжевена, q — элементарный заряд, ε — диэлектрическая проницаемость материала, а \({\mu }_{n}\) и \({\mu }_{ р}\) — подвижности электронов и дырок соответственно. Происхождение коэффициента редукции Ланжевена, который может иметь значения даже ниже \({10}^{-3}\)29, не до конца понятно, хотя субланжевеновская рекомбинация имеет первостепенное значение для достижения высокоэффективных органических солнечных батарей. клетки. Хотя фазовое разделение в объемном гетеропереходе в сочетании с несбалансированными подвижностями может приводить к незначительным отклонениям от классической рекомбинации Ланжевена, этого недостаточно для объяснения часто наблюдаемых больших отклонений от коэффициента рекомбинации Ланжевена30. Уменьшение рекомбинации Ланжевена было связано с усиленной диссоциацией экситонов с переносом заряда на границе донор-акцептор31,32,33, хотя сама по себе причина повышения скорости диссоциации CT-состояний не однозначна34. Усиленная CT-диссоциация связана с доменами с большей перколяцией31, с энергетическим беспорядком35,36,37 и с энергетическим каскадом между чистыми и смешанными фазами донорно-акцепторной смеси38,39. Будучи основным фактором, определяющим производительность устройства, крайне важно понять причину уменьшенной рекомбинации Ланжевена в органических солнечных элементах.