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The role of charge recombination to triplet excitons in organic solar cells

激子 有机太阳能电池 开路电压 能量转换效率 化学 辐射传输 混合太阳能电池 化学物理 物理 材料科学 光电子学 聚合物太阳能电池 电压 凝聚态物理 光学 有机化学 聚合物 量子力学
作者
Alexander J. Gillett,Alberto Privitera,Rishat Dilmurat,Akchheta Karki,Deping Qian,Anton Pershin,Giacomo Londi,William K. Myers,Jaewon Lee,Jun Yuan,Seo‐Jin Ko,Moritz Riede,Feng Gao,Guillermo C. Bazan,Akshay Rao,Thuc‐Quyen Nguyen,David Beljonne,Richard H. Friend
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:597 (7878): 666-671 被引量:419
标识
DOI:10.1038/s41586-021-03840-5
摘要

The use of non-fullerene acceptors (NFAs) in organic solar cells has led to power conversion efficiencies as high as 18%1. However, organic solar cells are still less efficient than inorganic solar cells, which typically have power conversion efficiencies of more than 20%2. A key reason for this difference is that organic solar cells have low open-circuit voltages relative to their optical bandgaps3, owing to non-radiative recombination4. For organic solar cells to compete with inorganic solar cells in terms of efficiency, non-radiative loss pathways must be identified and suppressed. Here we show that in most organic solar cells that use NFAs, the majority of charge recombination under open-circuit conditions proceeds via the formation of non-emissive NFA triplet excitons; in the benchmark PM6:Y6 blend5, this fraction reaches 90%, reducing the open-circuit voltage by 60 mV. We prevent recombination via this non-radiative channel by engineering substantial hybridization between the NFA triplet excitons and the spin-triplet charge-transfer excitons. Modelling suggests that the rate of back charge transfer from spin-triplet charge-transfer excitons to molecular triplet excitons may be reduced by an order of magnitude, enabling re-dissociation of the spin-triplet charge-transfer exciton. We demonstrate NFA systems in which the formation of triplet excitons is suppressed. This work thus provides a design pathway for organic solar cells with power conversion efficiencies of 20% or more.
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