The role of exciton lifetime for charge generation in organic solar cells at negligible energy-level offsets

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作者
Andrej Classen,Christos L. Chochos,Larry Lüer,Vasilis G. Gregoriou,Jonas Wortmann,Andres Osvet,Karen Forberich,Iain McCulloch,Thomas Heumüller,Christoph J. Brabec
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:5 (9): 711-719 被引量:339
标识
DOI:10.1038/s41560-020-00684-7
摘要

Organic solar cells utilize an energy-level offset to generate free charge carriers. Although a very small energy-level offset increases the open-circuit voltage, it remains unclear how exactly charge generation is affected. Here we investigate organic solar cell blends with highest occupied molecular orbital energy-level offsets (∆EHOMO) between the donor and acceptor that range from 0 to 300 meV. We demonstrate that exciton quenching at a negligible ∆EHOMO takes place on timescales that approach the exciton lifetime of the pristine materials, which drastically limits the external quantum efficiency. We quantitatively describe this finding via the Boltzmann stationary-state equilibrium between charge-transfer states and excitons and further reveal a long exciton lifetime to be decisive in maintaining an efficient charge generation at a negligible ∆EHOMO. Moreover, the Boltzmann equilibrium quantitatively describes the major reduction in non-radiative voltage losses at a very small ∆EHOMO. Ultimately, highly luminescent near-infrared emitters with very long exciton lifetimes are suggested to enable highly efficient organic solar cells.
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