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Jul 25, 2023

Ricombinazione di carica bimolecolare ridotta in celle solari organiche efficienti comprendenti non

Scientific Reports volume 13,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4717 (2023) Citare questo articolo

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La ricombinazione di carica bimolecolare è uno dei processi di perdita più importanti nelle celle solari organiche. Tuttavia, il tasso di ricombinazione bimolecolare nelle celle solari basate su nuovi accettori non fullerenici è per lo più poco chiaro. Inoltre, l’origine del tasso di ricombinazione ridotto di Langevin nelle celle solari a eterogiunzione in massa in generale è ancora poco compresa. Qui, indaghiamo la velocità di ricombinazione bimolecolare e il trasporto di carica in una serie di celle solari organiche ad alte prestazioni basate su accettori non fullerenici. Dalle misurazioni dell'iniezione al buio allo stato stazionario e dalle simulazioni di diffusione-deriva delle caratteristiche corrente-tensione sotto illuminazione, si osservano fattori di riduzione di Langevin fino a oltre due ordini di grandezza. La ridotta ricombinazione è essenziale per gli elevati fattori di riempimento di queste celle solari. Si osserva che i fattori di riduzione di Langevin sono correlati al momento quadrupolare degli accettori, che è responsabile della flessione della banda sull'interfaccia donatore-accettore, formando una barriera per la ricombinazione di carica. Nel complesso, questi risultati mostrano quindi che la ricombinazione bimolecolare soppressa è essenziale per le prestazioni delle celle solari organiche e forniscono regole di progettazione per nuovi materiali.

Lo sviluppo di accettori non fullerenici ha recentemente accelerato il miglioramento dell'efficienza di conversione della potenza delle celle solari organiche1,2,3. Di conseguenza, l’efficienza delle celle solari organiche a giunzione singola ha raggiunto il 18%4,5. La recente transizione dagli accettori fullerenici convenzionali a quelli non fullerenici ha offerto i vantaggi di una maggiore flessibilità nella regolazione dei livelli energetici, nonché la realizzazione di uno spettro di assorbimento complementare a quello dei polimeri donatori1,6. Sebbene siano stati compiuti grandi progressi nell’efficienza delle celle solari organiche comprendenti accettori non fullerenici, non è del tutto chiaro il motivo per cui questi accettori funzionano così bene7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17 ,18,19. In particolare, i tassi di ricombinazione bimolecolare sono stati solo scarsamente studiati in queste celle solari18,20,21,22,23. È noto che la ricombinazione non geminata gioca un ruolo importante nel fattore di riempimento delle celle solari24, così come nella tensione a circuito aperto25, e quindi nell'efficienza di conversione della potenza. Mentre la ricombinazione bimolecolare nei semiconduttori a bassa mobilità segue da vicino il meccanismo di Langevin26,27, essendo basato sulla diffusione di portatori di carica opposta l'uno verso l'altro nel loro reciproco campo di Coulomb, la velocità di ricombinazione bimolecolare in efficienti celle solari organiche ad eterogiunzione in massa può essere dell'ordine di magnitudo inferiore al tasso Langevin previsto in base alla mobilità dei portatori di carica28. Si può descrivere il ridotto tasso di ricombinazione di Langevin secondo29

dove \(\gamma \) è il fattore di riduzione di Langevin, q è la carica elementare, ε è la permettività del materiale e \({\mu }_{n}\) e \({\mu }_{ p}\) sono rispettivamente la mobilità degli elettroni e delle lacune. L'origine del fattore di riduzione di Langevin, che può avere valori anche inferiori a \({10}^{-3}\)29, non è completamente compresa, sebbene la ricombinazione sub-Langevin sia di fondamentale importanza per ottenere un solare organico ad alte prestazioni. cellule. Sebbene la separazione di fase in un'eterogiunzione di massa in combinazione con mobilità sbilanciata possa portare a deviazioni minori dalla ricombinazione di Langevin classica, ciò non è sufficiente per spiegare le grandi deviazioni frequentemente osservate dal coefficiente di ricombinazione di Langevin30. La ridotta ricombinazione di Langevin è stata collegata a una maggiore dissociazione degli eccitoni di trasferimento di carica sull'interfaccia donatore-accettore31,32,33, sebbene l'origine di un miglioramento del tasso di dissociazione degli stati CT di per sé non sia semplice34. Una maggiore dissociazione CT è stata associata a domini con maggiore percolazione31, con disordine energetico35,36,37 e con una cascata energetica tra fasi pure e miste della miscela donatore-accettore38,39. Essendo uno dei principali fattori determinanti delle prestazioni del dispositivo, è fondamentale comprendere l'origine della ridotta ricombinazione di Langevin nelle celle solari organiche.