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Sensitization of silicon by singlet exciton fission in tetracene

四烯 单重态裂变 激子 单重态 半导体 材料科学 原子物理学 化学 激发态 光电子学 光化学 凝聚态物理 物理
作者
Markus Einzinger,Tony Wu,Julia F. Kompalla,Hannah L. Smith,Collin F. Perkinson,Lea Nienhaus,Sarah Wieghold,Daniel N. Congreve,Antoine Kahn,Moungi G. Bawendi,Marc A. Baldo
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:571 (7763): 90-94 被引量:313
标识
DOI:10.1038/s41586-019-1339-4
摘要

Silicon dominates contemporary solar cell technologies1. But when absorbing photons, silicon (like other semiconductors) wastes energy in excess of its bandgap2. Reducing these thermalization losses and enabling better sensitivity to light is possible by sensitizing the silicon solar cell using singlet exciton fission, in which two excited states with triplet spin character (triplet excitons) are generated from a photoexcited state of higher energy with singlet spin character (a singlet exciton)3–5. Singlet exciton fission in the molecular semiconductor tetracene is known to generate triplet excitons that are energetically matched to the silicon bandgap6–8. When the triplet excitons are transferred to silicon they create additional electron–hole pairs, promising to increase cell efficiencies from the single-junction limit of 29 per cent to as high as 35 per cent9. Here we reduce the thickness of the protective hafnium oxynitride layer at the surface of a silicon solar cell to just eight angstroms, using electric-field-effect passivation to enable the efficient energy transfer of the triplet excitons formed in the tetracene. The maximum combined yield of the fission in tetracene and the energy transfer to silicon is around 133 per cent, establishing the potential of singlet exciton fission to increase the efficiencies of silicon solar cells and reduce the cost of the energy that they generate. A silicon and tetracene solar cell employing singlet fission uses an eight-angstrom-thick hafnium oxynitride interlayer to promote efficient triplet transfer, increasing the efficiency of the cell.
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