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Suppressing Exciton‐Vibration Coupling to Prolong Exciton Lifetime of Nonfullerene Acceptors Enables High‐Efficiency Organic Solar Cells

激子 有机太阳能电池 聚合物太阳能电池 材料科学 有机半导体 光电子学 异质结 光伏系统 载流子 化学物理 化学 能量转换效率 聚合物 物理 凝聚态物理 复合材料 生物 生态学
作者
Yufan Zhu,Dan He,Chong Wang,Xiao Han,Zesheng Liu,Ke Wang,Jianqi Zhang,Xingxing Shen,Jie Li,Yuze Lin,Chunru Wang,Yuehui He,Fuwen Zhao
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (8): e202316227-e202316227 被引量:88
标识
DOI:10.1002/anie.202316227
摘要

Abstract The limited exciton lifetime ( τ , generally <1 ns) leads to short exciton diffusion length ( L D ) of organic semiconductors, which is the bottleneck issue impeding the further improvement of power conversion efficiencies (PCEs) for organic solar cells (OSCs). However, efficient strategies to prolong intrinsic τ are rare and vague. Herein, we propose a facile method to efficiently reduce vibrational frequency of molecular skeleton and suppress exciton‐vibration coupling to decrease non‐radiative decay rate and thus prolong τ via deuterating nonfullerene acceptors. The τ remarkably increases from 0.90 ns (non‐deuterated L8‐BO) to 1.35 ns (deuterated L8‐BO‐D), which is the record for organic photovoltaic materials. Besides, the inhibited molecular vibration improves molecular planarity of L8‐BO‐D for enhanced exciton diffusion coefficient. Consequently, the L D increases from 7.9 nm (L8‐BO) to 10.7 nm (L8‐BO‐D). The prolonged L D of L8‐BO‐D enables PM6 : L8‐BO‐D‐based bulk heterojunction OSCs to acquire higher PCEs of 18.5 % with more efficient exciton dissociation and weaker charge carrier recombination than PM6 : L8‐BO‐based counterparts. Moreover, benefiting from the prolonged L D , D18/L8‐BO‐D‐based pseudo‐planar heterojunction OSCs achieve an impressive PCE of 19.3 %, which is among the highest values. This work provides an efficient strategy to increase the τ and thus L D of organic semiconductors, boosting PCEs of OSCs.
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