Nature Energy：有机太阳电池中非辐射电压损失的统一描述

第一作者：Xian-Kai Chen

通讯作者：Deping Qian，Veaceslav Coropceanu，Jean-Luc Bredas，Feng Gao

通讯单位：亚利桑那大学，瑞典林雪平大学

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

背景

在过去的五年中，单结有机太阳能电池的功率转换效率从11%跃升至18%，日益缩小与无机和混合半导体太阳能电池的差距。有机电激发发光器件的PCE快速发展的一个突破是电压损耗的大幅降低。特别是，目前主要的努力集中在减少由于供体:受体(D:A)界面处的非辐射电荷复合(ΔV_nr)引起的电压损失；然而，目前在高效振荡器中获得的大约0.17伏的最小ΔV_nr值仍然大于无机器件中的ΔV_nr值。因此，基于非富勒烯受体(NFA)的有机太阳能电池的最新进展是降低了非辐射电压损失(ΔV_nr)。

研究的问题

本文发现，与传统供体(富勒烯混合物)中观察到的能隙律依赖相反，最新的供体(NFA)的有机太阳能电池的ΔV_nr值与供体受主界面的电荷转移电子态的能量没有相关性。通过结合随温度变化的电激发的发光实验和动态振动模拟，本文为基于富勒烯和 NFA 的设备提供了的统一描述。本文强调了局部激子态的热群在低 ΔV_nr 系统中所起的关键作用。一个重要的发现是，原始材料的光激发发光决定了ΔV_nr变化率的下限。本文还证明，在不牺牲电荷产生效率的情况下，可以使ΔV_nr的降低(例如，<0.2 V)。本文的工作为设计具有高发光效率和延伸到近红外区域的互补光吸收带的供体和受体材料提供了一个新思路。

图文分析

图1 |作为t_LE-CT和ΔE_LE-CT的函数的D:A混合物的发射谱线形状

要点：

• 为了评估LE–CT杂交和热群体的各自作用，首先考虑低温情况是有益的，其中只有最低的LE–CT振动状态是热群体（population）。图1b显示了在30 K时ΔE_LE-CT= 250meV的计算发射光谱，作为1–50meV范围内t_LE-CT值的函数。
• 图1c展示出了在室温下用同一组参数获得的结果。对于小t_LE-CT，发射由热填充的LE振动状态的电子跃迁进行控制。整个光谱类似于纯供体或受体材料的光谱。对于较大的t_LE-CT值(即强LE-CT杂交)，光谱线型从LE类型转换回CT型。

图2 |作为t_LE-CT和ΔE_LE-CT函数的非辐射电压损失

要点：

• 本文利用三态模型来研究ΔV_nr和微观参数之间的关系。结果取决于CT和LE态的辐射和非辐射衰变速率常数。K_r、K_nr和ΔV_nr对ΔE_LE−CT和t_LE-CT的依赖关系如图2a，b所示。

图3 |ΔV_nr与界面E_CT的关系

要点：

• 本文现在关注的是上述发现对具有小能量偏移量的混合物的影响，这种混合物提供了最先进、高效的OSC。在图3a中，本文总结了40多个以前报道的和新的基于NFA的OSC与小的或可以忽略的ΔE_LE−CT混合物的ΔV_nr值.
• 为了使图3a中显示的实验观察结果合理化，本文对一系列D：A系统(见图3b)的ΔV_nr对E_CT的依赖性进行了模拟。虽然图2b描述了t_LE-CT和ΔE_LE−CT如何影响ΔV_nr值，但图3b的目的是直接解释图3a中所示的实验数据。

图4 |电荷产生效率与器件ΔV_nr的关系

要点：

• 从图4中得到的关键结果是：电荷产生效率和ΔV_nr值并不相关。对于D：A与大的ΔE_LE−CT混合，足够的激子解离驱动力预计将导致有效的电荷产生；然而，这是以牺牲大的ΔV_nr为代价的，正如传统材料系统所报道的那样(如图4所示)。

结语

本文提供了有机太阳能电池中非辐射电压损失的统一描述。本文的综合实验和理论结果表明，低ΔV_nr值是在非富勒烯受体基共混物中获得的，其具有小的ΔE_LE-CT电流变偏移，这是由于高发射 LE 状态与界面 CT 状态以及重要的 LE 状态的热群的电子杂化的结果。一方面，本文能够解释在基于富勒烯的混合物中发现的能隙定律依赖性，另一方面，在最先进的基于NFA的混合物中ΔV_nr和CT态能量之间缺乏相关性。本文发现原始材料组分的光激发发光效率决定了有机太阳能电池中ΔV_nr的极限。这是一个关键点，因为这意味着振荡器的有源层可以设计成具有与肖克利-奎塞（Shockley–Queisser）模型定义的最佳能量范围相对应的光学间隙，而不必在接近电压方面付出代价。此外，在不牺牲混合物的电荷产生效率的情况下，可以获得小的ΔV_nr值。本文的工作指出，需要设计具有高发光效率和延伸到近红外区的互补光学吸收带的供体和受体材料，从而为下一代高效的有机电激发发光混合物提供明确的策略。  

本文由SSC供稿。