Design rules for minimizing voltage losses in high-efficiency organic solar cells

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作者
Deping Qian,Zilong Zheng,Huifeng Yao,Wolfgang Tress,Thomas R. Hopper,Shula Chen,Sunsun Li,Jing Liu,Shangshang Chen,Jiangbin Zhang,Xiaoke Liu,Bowei Gao,Liangqi Ouyang,Yingzhi Jin,Г. Позина,I. A. Buyanova,Weimin Chen,Olle Inganäs,Veaceslav Coropceanu,Jean‐Luc Brédas
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:17 (8): 703-709 被引量:823
标识
DOI:10.1038/s41563-018-0128-z
摘要

The open-circuit voltage of organic solar cells is usually lower than the values achieved in inorganic or perovskite photovoltaic devices with comparable bandgaps. Energy losses during charge separation at the donor–acceptor interface and non-radiative recombination are among the main causes of such voltage losses. Here we combine spectroscopic and quantum-chemistry approaches to identify key rules for minimizing voltage losses: (1) a low energy offset between donor and acceptor molecular states and (2) high photoluminescence yield of the low-gap material in the blend. Following these rules, we present a range of existing and new donor–acceptor systems that combine efficient photocurrent generation with electroluminescence yield up to 0.03%, leading to non-radiative voltage losses as small as 0.21 V. This study provides a rationale to explain and further improve the performance of recently demonstrated high-open-circuit-voltage organic solar cells. Key optoelectronic properties for donor and acceptor organic semiconductors are identified to obtain organic solar cells with reduced open-circuit voltage losses and high power conversion efficiencies.
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