Фотогенерация свободного заряда в однокомпонентном органическом полупроводнике с высокой фотоэлектрической эффективностью

Nature Communications, том 13, номер статьи: 2827 (2022) Цитировать эту статью

8811 Доступов

37 цитат

42 Альтметрика

Подробности о метриках

Органическая фотоэлектрическая энергия (ОПВ) обещает дешевую и гибкую солнечную энергию. В то время как свет генерирует свободные заряды в кремниевых фотоэлектрических элементах, экситоны обычно образуются в органических полупроводниках из-за их низких диэлектрических проницаемостей и требуют молекулярных гетеропереходов для разделения на заряды. В последних OPV с рекордной эффективностью используются небольшие молекулы Y6 и их аналоги, которые – в отличие от предыдущих органических полупроводников – имеют низкую запрещенную зону и высокие диэлектрические проницаемости. Мы показываем, что в пленках Y6 эти факторы приводят к генерации собственного свободного заряда без гетероперехода. Спектроскопия, зависящая от интенсивности, показывает, что 60–90% экситонов образуют свободные заряды при интенсивности света AM1,5. Бимолекулярная рекомбинация и дырочные ловушки ограничивают однокомпонентную фотогальваническую систему Y6 низкой эффективностью, но рекомбинация снижается за счет небольших количеств донора. Квантово-химические расчеты показывают сильную связь между состояниями экситона и CT, а также структуру межмолекулярной поляризации, которая приводит к диссоциации экситонов. Наши результаты бросают вызов тому, как работают нынешние ОПВ, и возобновляют возможность создания эффективных однокомпонентных ОПВ.

Когда свет поглощается неорганическими полупроводниками, такими как кремний или арсенид галлия, создается комбинация свободных зарядов и экситонов (связанных электронов и дырок), и их соотношение зависит от диэлектрической проницаемости материала. Для органических полупроводников парадигма утверждает, что только экситоны фотогенерируются по своей природе, поскольку низкая диэлектрическая проницаемость1,2 этих материалов (ε ~ ​​3–4) означает, что кулоновское взаимодействие электронов и дырок не эффективно экранируется, что приводит к образованию экситонов Френкеля с высокими энергиями связи. (ЭБ). В течение последних тридцати лет3,4 это ограничение стимулировало развитие органических фотоэлектрических систем (OPV), которые обещают радикальное изменение в гибком, легком, нетоксичном производстве солнечной энергии с использованием растворов, но еще не получили широкой коммерциализации. Расщепление связанных экситонов на свободные заряды потребовало резких молекулярных гетеропереходов между донорными и акцепторными материалами. Вместо того, чтобы просто оптимизировать сбор заряда, устройства OPV были оптимизированы для расщепления экситонов на границах раздела и требуют сложных взаимопроникающих сетей донорных и акцепторных материалов. Подход на основе молекулярных гетеропереходов ограничивает эффективность устройств5, приводит к потерям напряжения и нестабильности интерфейсов6, а также усложняет прогресс исследований7. Ранее сообщения показали некоторую диссоциацию экситонов под действием поля и образование «внешнего» заряда в чистых гомополимерах и малых молекулах8,9,10,11, а также значительное образование состояний с переносом заряда (или поляронных пар) в аккуратных «толкающих-парах». «тянуть» сополимеры и небольшие молекулы12,13,14. Однако ни один органический материал (до сих пор) не продемонстрировал существенного, не говоря уже о формировании большинства свободных зарядов (а не пар поляронов), которые подвергаются бимолекулярной (а не геминатной) рекомбинации.

В последнее время маломолекулярные нефуллереновые конденсированные кольцевые акцепторы электронов (FREA)15,16,17,18,19,20,21 привели к быстрому росту эффективности преобразования энергии (PCE) OPV. Наряду с этим достижением возникли неожиданные наблюдения, а именно: (1) Безбарьерная генерация свободного заряда в смесях PM6:Y622 (полные химические названия и структуры показаны на дополнительном рисунке 1). (2) Эффективность генерации заряда в смесях PM6:Y6 увеличивается с увеличением интенсивности падающего света23. (3) В Y611,24 и IDIC25 экситоны делокализованы или образуют промежуточное состояние «внутрифрагмента» с вероятным характером, подобным переносу заряда (CT). Все эти наблюдения были объяснены с помощью CT-состояний, однако, имея дополнительные данные, мы показываем здесь, что требуется более глубокое объяснение.

Недавно было обнаружено, что FREA имеют очень высокие показатели преломления26,27 и, следовательно, высокие комплексные диэлектрические постоянные. Из FREA Y6 и его производные присутствуют как в бинарных, так и в тройных OPV, которые имеют самые высокие PCE16,28,29,30.