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Near-infrared absorbing acceptor with suppressed triplet exciton generation enabling high performance tandem organic solar cells

串联 有机太阳能电池 接受者 激子 能量转换效率 材料科学 光电子学 带隙 聚合物太阳能电池 物理 凝聚态物理 复合材料 聚合物
作者
Zhenrong Jia,Qing Ma,Zeng Chen,Lei Meng,Nakul Jain,Indunil Angunawela,Shucheng Qin,Xiaolei Kong,Xiaojun Li,Yang Michael Yang,Haiming Zhu,Harald Ade,Feng Gao,Yongfang Li
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:31
标识
DOI:10.1038/s41467-023-36917-y
摘要

Reducing the energy loss of sub-cells is critical for high performance tandem organic solar cells, while it is limited by the severe non-radiative voltage loss via the formation of non-emissive triplet excitons. Herein, we develop an ultra-narrow bandgap acceptor BTPSeV-4F through replacement of terminal thiophene by selenophene in the central fused ring of BTPSV-4F, for constructing efficient tandem organic solar cells. The selenophene substitution further decrease the optical bandgap of BTPSV-4F to 1.17 eV and suppress the formation of triplet exciton in the BTPSV-4F-based devices. The organic solar cells with BTPSeV-4F as acceptor demonstrate a higher power conversion efficiency of 14.2% with a record high short-circuit current density of 30.1 mA cm-2 and low energy loss of 0.55 eV benefitted from the low non-radiative energy loss due to the suppression of triplet exciton formation. We also develop a high-performance medium bandgap acceptor O1-Br for front cells. By integrating the PM6:O1-Br based front cells with the PTB7-Th:BTPSeV-4F based rear cells, the tandem organic solar cell demonstrates a power conversion efficiency of 19%. The results indicate that the suppression of triplet excitons formation in the near-infrared-absorbing acceptor by molecular design is an effective way to improve the photovoltaic performance of the tandem organic solar cells.
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