A unified description of non-radiative voltage losses in organic solar cells

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作者
Xiankai Chen,Deping Qian,Yuming Wang,Thomas Kirchartz,Wolfgang Tress,Huifeng Yao,Jun Yuan,Markus Hülsbeck,Maojie Zhang,Yingping Zou,Yanming Sun,Yongfang Li,Jianhui Hou,Olle Inganäs,Veaceslav Coropceanu,Jean‐Luc Brédas,Feng Gao
出处
期刊:Nature Energy [Springer Nature]
卷期号:6 (8): 799-806 被引量:364
标识
DOI:10.1038/s41560-021-00843-4
摘要

Recent advances in organic solar cells based on non-fullerene acceptors (NFAs) come with reduced non-radiative voltage losses (ΔVnr). Here we show that, in contrast to the energy-gap-law dependence observed in conventional donor:fullerene blends, the ΔVnr values in state-of-the-art donor:NFA organic solar cells show no correlation with the energies of charge-transfer electronic states at donor:acceptor interfaces. By combining temperature-dependent electroluminescence experiments and dynamic vibronic simulations, we provide a unified description of ΔVnr for both fullerene- and NFA-based devices. We highlight the critical role that the thermal population of local exciton states plays in low-ΔVnr systems. An important finding is that the photoluminescence yield of the pristine materials defines the lower limit of ΔVnr. We also demonstrate that the reduction in ΔVnr (for example, <0.2 V) can be obtained without sacrificing charge generation efficiency. Our work suggests designing donor and acceptor materials with high luminescence efficiency and complementary optical absorption bands extending into the near-infrared region.
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