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Jul 25, 2023

Recombinaison de charge bimoléculaire réduite dans des cellules solaires organiques efficaces comprenant non

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4717 (2023) Citer cet article

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La recombinaison de charge bimoléculaire est l'un des processus de perte les plus importants dans les cellules solaires organiques. Cependant, le taux de recombinaison bimoléculaire dans les cellules solaires basées sur de nouveaux accepteurs non-fullerènes n'est généralement pas clair. De plus, l'origine du taux de recombinaison Langevin réduit dans les cellules solaires à hétérojonction en vrac en général est encore mal comprise. Ici, nous étudions le taux de recombinaison bimoléculaire et le transport de charge dans une série de cellules solaires organiques à haute performance basées sur des accepteurs non fullerènes. À partir de mesures d'injection d'obscurité en régime permanent et de simulations de dérive-diffusion des caractéristiques courant-tension sous éclairage, des facteurs de réduction de Langevin allant jusqu'à plus de deux ordres de grandeur sont observés. La recombinaison réduite est essentielle pour les facteurs de remplissage élevés de ces cellules solaires. On observe que les facteurs de réduction de Langevin sont en corrélation avec le moment quadripolaire des accepteurs, qui est responsable de la courbure de la bande à l'interface donneur-accepteur, formant une barrière pour la recombinaison de charge. Dans l'ensemble, ces résultats montrent donc que la suppression de la recombinaison bimoléculaire est essentielle pour les performances des cellules solaires organiques et fournissent des règles de conception pour de nouveaux matériaux.

Le développement d'accepteurs non fullerènes a récemment accéléré l'amélioration de l'efficacité de conversion de puissance des cellules solaires organiques1,2,3. En conséquence, l'efficacité des cellules solaires organiques à jonction unique a atteint 18 %4,5. La transition récente des accepteurs fullerènes conventionnels vers des accepteurs non fullerènes a offert les avantages d'une plus grande flexibilité dans le réglage des niveaux d'énergie, ainsi que la réalisation d'un spectre d'absorption complémentaire à celui des polymères donneurs1,6. Bien que de grands progrès aient été réalisés dans l'efficacité des cellules solaires organiques comprenant des accepteurs non fullerènes, on ne comprend pas entièrement pourquoi ces accepteurs fonctionnent si bien7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19. En particulier, les taux de recombinaison bimoléculaire n'ont été que peu étudiés dans ces cellules solaires18,20,21,22,23. Il est connu que la recombinaison non géminée joue un rôle important dans le facteur de remplissage des cellules solaires24, ainsi que la tension en circuit ouvert25, et donc le rendement de conversion de puissance. Alors que la recombinaison bimoléculaire dans les semi-conducteurs à faible mobilité suit de près le mécanisme de Langevin26,27, étant basée sur la diffusion de porteurs chargés de manière opposée les uns vers les autres dans leur champ de Coulomb mutuel, le taux de recombinaison bimoléculaire dans des cellules solaires organiques efficaces à hétérojonction en vrac peut être d'un ordre de grandeur inférieur au taux de Langevin prédit sur la base de la mobilité des porteurs de charge28. On peut décrire le taux de recombinaison réduit de Langevin selon29

où \(\gamma \) est le facteur de réduction de Langevin, q est la charge élémentaire, ε est la permittivité du matériau, et \({\mu }_{n}\) et \({\mu }_{p}\) sont les mobilités des électrons et des trous, respectivement. L'origine du facteur de réduction de Langevin, qui peut avoir des valeurs même inférieures à \({10}^{-3}\)29, n'est pas entièrement comprise, bien que la recombinaison sous-Langevin soit d'une importance primordiale pour obtenir des cellules solaires organiques à haute performance. Alors que la séparation de phase dans une hétérojonction en vrac en combinaison avec des mobilités déséquilibrées peut conduire à des écarts mineurs par rapport à la recombinaison classique de Langevin, cela est insuffisant pour expliquer les grands écarts fréquemment observés par rapport au coefficient de recombinaison de Langevin30. La recombinaison réduite de Langevin a été liée à une dissociation accrue des excitons de transfert de charge à l'interface donneur-accepteur31,32,33, bien que l'origine d'un taux de dissociation amélioré des états CT lui-même ne soit pas simple34. La dissociation CT améliorée a été associée à des domaines avec une plus grande percolation31, avec un désordre énergétique35,36,37 et avec une cascade énergétique entre les phases pures et mixtes du mélange donneur-accepteur38,39. Étant un déterminant majeur des performances de l'appareil, il est crucial de comprendre l'origine de la recombinaison réduite de Langevin dans les cellules solaires organiques.

Ici, nous étudions la recombinaison bimoléculaire dans une série de cellules solaires organiques, comprenant le donneur PM6 à base de thiényl-benzodithiophène fluoré (BDT-2F) mélangé à trois accepteurs différents PC61BM40, IT-4F41 et Y66, et PBDB-T mélangé avec IE4F-S42 ou O-IDTBR43 (comme illustré à la Fig. S1). En mesurant les courants d'électron, de trou et de double porteur à l'état d'équilibre dans l'obscurité, les mobilités des porteurs de charge et les préfacteurs de Langevin sont obtenus. Les préfacteurs de recombinaison sont en outre obtenus par simulation des caractéristiques courant-tension des cellules solaires sous illumination. Pour des systèmes performants, on obtient des facteurs de réduction de Langevin d'environ 10–2 ou même inférieurs, ce qui s'avère d'une importance critique pour le facteur de remplissage des cellules solaires. Des simulations informatiques démontrent que le moment quadripolaire des accepteurs est responsable de la courbure de la bande à l'interface donneur-accepteur, donnant lieu à une barrière d'énergie pour la recombinaison bimoléculaire. Les moments quadripolaires calculés sont en corrélation avec les taux de recombinaison mesurés, rationalisant les hautes performances des cellules solaires organiques basées sur des accepteurs non fullerènes.

Pour étudier la recombinaison bimoléculaire dans les cellules organiques, nous mesurons les courants à charge d'espace limitée (SCLC) dans les mélanges donneur-accepteur. La mesure des SCLC est une méthode bien connue pour obtenir la mobilité des porteurs de charge en régime permanent dans les semi-conducteurs29. En injectant sélectivement des électrons ou des trous dans le matériau ou le mélange de matériaux, une charge d'espace d'électrons et de trous s'accumule. Il s'agit de la charge électrostatique maximale autorisée dans le semi-conducteur, donnant lieu à un courant limité en vrac qui ne dépend que de la mobilité des porteurs de charge, comme indiqué par la loi de Mott-Gurney44. Lors de l'injection simultanée d'électrons et de trous, les électrons et les trous se recombinent ou se neutralisent en fonction du taux de recombinaison. Un faible taux de recombinaison conduit à une neutralisation de charge efficace en raison de la coexistence d'électrons et de trous, permettant une accumulation accrue de charge d'espace nette. Cette charge d'espace accrue améliore le courant à double porteuse injecté. Par conséquent, l'amplitude du courant à double porteuse peut être utilisée pour quantifier la quantité de recombinaison de charge, en concurrence avec la neutralisation de charge29.

Pour extraire le taux de recombinaison, ou le facteur de réduction de Langevin γ, il faut connaître le courant d'électron, de trou et de double porteur, tel qu'obtenu à partir du courant d'obscurité d'un dispositif à électron uniquement, à trou uniquement et à cellule solaire, respectivement. Le préfacteur de Langevin est alors obtenu analytiquement comme29

où \({J}_{p(n)}\) est la densité de courant de trou (électron) et \({J}_{D}\) la densité de courant à double porteuse, équivalente à la densité de courant d'obscurité injectée d'une cellule solaire. Cette équation démontre que de faibles préfacteurs de Langevin sont obtenus pour des courants d'obscurité (JD) injectés élevés, qui résultent d'une neutralisation efficace des électrons et des trous. Nous notons que γanalytical est obtenu à partir de courants mesurés expérimentalement uniquement, sans aucun ajustement des données. Alternativement, le préfacteur de Langevin peut également être obtenu en ajustant les caractéristiques JV avec des simulations numériques de dérive-diffusion.

Outre le préfacteur de Langevin, la mobilité des électrons et des trous peut être obtenue à partir des densités de courant d'électrons et de trous à charge d'espace limitée, \({J}_{n}\) et \({J}_{p}\). Celles-ci sont obtenues en ajustant les caractéristiques \(J\)-\(V\) avec des simulations de dérive-diffusion45 (Fig. S2). Comme illustré dans le tableau 1, les mobilités des électrons et des trous pour les films de mélange optimal à base de PM6 sont équilibrées et assez similaires pour les trois accepteurs (PCBM, IT-4F et Y6) utilisés, toutes les valeurs étant proches de 3 × 10–8 m2 V−1 s−1. En conséquence, des forces de recombinaison Langevin théoriques similaires sont attendues pour ces trois mélanges. Les préfacteurs de Langevin expérimentaux déduits de l'Eq. (2), en revanche, montrent une nette différence, avec des facteurs de réduction de l'ordre de 10–2 pour les accepteurs non fullerènes et de 10–1 pour PC61BM et PC71BM (Fig. S4). Alternativement, les préfacteurs sont obtenus en ajustant les caractéristiques du courant d'obscurité (JD-V) des dispositifs à double porteuse avec des simulations de dérive-diffusion, en utilisant les mobilités expérimentales obtenues et le préfacteur de Langevin (γdark) comme seul paramètre d'ajustement ajustable. Comme prévu de l'accord précédemment établi entre Eq. (2) et des simulations numériques de dérive-diffusion29, des résultats similaires sont obtenus, comme le montre le tableau 1.

Pour démontrer l'impact de ces facteurs de réduction de Langevin sur les performances des cellules solaires, les caractéristiques \(J\)-\(V\) des cellules solaires sous illumination sont simulées et comparées à l'expérience. La simulation des caractéristiques des cellules solaires avec la recombinaison classique de Langevin, déterminée à partir des mobilités expérimentales des électrons et des trous, entraîne une sous-estimation claire du facteur de remplissage et de la tension en circuit ouvert, comme le montre la figure 1a. Ceci démontre que le taux de recombinaison bimoléculaire doit être nettement réduit par rapport à la recombinaison Langevin. Pour le mélange à base de fullerène, l'écart par rapport à l'expérience est le plus petit, ce qui indique que le taux de recombinaison bimoléculaire est plus proche de la recombinaison Langevin par rapport aux cellules solaires avec des accepteurs non fullerène. Ceci est cohérent avec les préfacteurs de Langevin déterminés à partir des mesures d'obscurité (tableau 1 ; figure 1b).

( a ) Caractéristiques densité de courant-tension des cellules solaires comprenant un donneur PM6 et PC61BM, IT-4F ou Y6 comme accepteur. Les symboles représentent les caractéristiques expérimentales, les lignes pleines sont des ajustements des données par des simulations de diffusion de dérive, avec les mobilités expérimentales des porteurs de charge en entrée. Avec les mobilités connues, le taux de recombinaison détermine le facteur de remplissage, où les résultats pour la recombinaison de Langevin (γ = 1) sont représentés par les lignes en pointillés. (b) Préfacteurs de Langevin directement obtenus par Eq. (2) à partir des courants mesurés d'électrons, de trous et de doubles porteurs dans l'obscurité.

Dans une étape suivante, les caractéristiques \(J\)-\(V\) sous illumination sont simulées en utilisant le préfacteur de Langevin (γlight) comme paramètre d'ajustement, tout en utilisant les mobilités mesurées des porteurs de charge. Comme observé sur la Fig. 1a, un excellent accord avec l'expérience est obtenu, avec les préfacteurs de Langevin utilisés (γlight) répertoriés dans le tableau 1. Les préfacteurs obtenus à partir des simulations de dérive-diffusion sous illumination concordent bien avec ceux déterminés par les mesures d'obscurité, confirmant les valeurs obtenues. Une conclusion importante qui peut être tirée de ces résultats est qu'en particulier le facteur de remplissage élevé est le résultat direct du taux de recombinaison bimoléculaire réduit dans les cellules solaires basées sur les accepteurs non fullerènes. Les mobilités décentes ne garantissent pas nécessairement de bonnes performances du dispositif (cf. simulations avec taux de Langevin sur la Fig. 1a) soulignant l'importance d'une recombinaison bimoléculaire réduite dans ces systèmes.

Bien qu'une recombinaison bimoléculaire réduite ait été fréquemment observée dans les cellules solaires organiques à hétérojonction en vrac, son origine n'est toujours pas bien comprise. Des mobilités déséquilibrées en combinaison avec une séparation de phase peuvent expliquer une réduction mineure du taux de recombinaison bimoléculaire, mais sont incapables d'expliquer les coefficients de Langevin réduits de plusieurs ordres de grandeur30. De tels coefficients de réduction sont remarquables, d'autant plus que la recombinaison de Langevin est bien respectée dans les semi-conducteurs organiques vierges26,27. Pour étudier l'origine de la recombinaison bimoléculaire réduite dans les cellules solaires organiques basées sur des accepteurs non fullerènes, il est utile d'étudier des systèmes dans lesquels le taux de recombinaison bimoléculaire est nettement différent. Par conséquent, nous avons sélectionné les accepteurs non-fullerènes IE4F-S et O-IDTBR mélangés avec le donneur non fluoré PBDB-T, dont il a été rapporté qu'ils donnent des facteurs de remplissage nettement différents42,46. Étant donné que le transport de charge est même légèrement supérieur dans PBDB-T:O-IDTBR (Tableau 1 et Fig. S5), le faible facteur de remplissage provient probablement d'une recombinaison bimoléculaire accrue par rapport au système PBDB-T:IE4FS. En effet, comme le montrent le tableau 1 et la figure S6, le préfacteur de Langevin obtenu pour le système PBDB-T:O-IDTBR est proche de la recombinaison Langevin, tandis que pour PBDB-T:IE4FS, la recombinaison bimoléculaire est réduite de plus de deux ordres de grandeur par rapport à la recombinaison Langevin. La figure 2 montre que la recombinaison Langevin classique peut presque reproduire les caractéristiques des cellules solaires sous illumination pour PBDB-T:O-IDTBR, tandis que le facteur de remplissage est fortement sous-estimé pour PBDB-T:IE4F-S, indiquant une recombinaison bimoléculaire fortement réduite dans ce dernier cas. Même si le facteur de réduction de Langevin est clairement différent pour ces mélanges, la différence de facteur de remplissage n'est pas aussi prononcée, ce qui est dû au transport favorable des électrons et des trous dans la cellule solaire PBDB-T : O-IDTBR, en combinaison avec un taux de génération de porteurs de charge plus faible, réduisant la densité d'électrons et de trous photogénérés et ainsi la recombinaison bimoléculaire. D'autre part, le faible préfacteur de Langevin dans le mélange PBDB-T:IE4F-S permet d'obtenir davantage de porteurs de charge photogénérés tout en maintenant un facteur de remplissage élevé, augmentant ainsi l'efficacité de la conversion de puissance.

Caractéristiques densité de courant-tension des cellules solaires comprenant une couche active PBDB-T:O-IDTBR ou PBDB-T:IE4F-S. Les symboles représentent les caractéristiques expérimentales, les lignes pleines sont des ajustements des données par des simulations de diffusion de dérive, avec les mobilités expérimentales des porteurs de charge en entrée. Avec les mobilités connues, le taux de recombinaison détermine le facteur de remplissage, où les résultats pour la recombinaison de Langevin (γ = 1) sont représentés par les lignes en pointillés.

Pour étudier l'origine de la différence de force de recombinaison parmi le système étudié, nous avons simulé l'interface donneur-accepteur rugueuse à l'aide du modèle de réseau47 (les détails sont donnés dans les informations supplémentaires). Le gradient de concentration donne lieu à un gradient de potentiel électrostatique près de l'interface, comme le montre la figure 3a. En effet, cela se traduit par une flexion du niveau d'énergie à l'interface donneur-accepteur, dont l'amplitude est dictée par le moment quadripolaire9,17,48,49 et le mélange50 des semi-conducteurs organiques9,17,48,49, et a une plage allant jusqu'à 5 à 6 nm de chaque côté de l'interface donneur-accepteur48,51, ce qui est comparable ou supérieur au rayon de capture effectif de Coulomb52. Le rôle du potentiel de polarisation a jusqu'à présent été reconnu dans la division des états de transfert de charge, réduisant la recombinaison géminée9,18,53,54. Nous émettons l'hypothèse que le potentiel de biais peut également donner lieu à une barrière pour la recombinaison non géminée. La flexion du niveau d'énergie à l'interface donneur-accepteur, illustrée à la figure 3b, créerait une barrière \ (B \) pour les électrons et les trous, réduirait la densité d'électrons et de trous à proximité immédiate de l'interface et supprimerait la recombinaison bimoléculaire.

(a) Carte 2D de la surface d'énergie potentielle électrostatique pour une charge interagissant avec des quadripôles de molécules neutres environnantes (une période d'une interface périodique est représentée) (b) Diagramme de niveau d'énergie avec courbure de bande dans la phase acceptrice. Le potentiel de polarisation \(B\) crée une barrière pour la recombinaison des charges. (c) Logarithme du coefficient de réduction de Langevin en fonction de la composante \(\pi \) du tenseur quadripolaire. Les cercles bleus sont des points de données obtenus dans cette étude, les carrés verts représentent les facteurs de réduction de Langevin obtenus à partir de la littérature57,58.

Pour quantifier cette réduction, nous avons modifié un modèle de recombinaison bimoléculaire d'Arkhipov, initialement proposé pour le silicium amorphe avec un paysage potentiel fluctuant55. Dans les approximations de ce modèle (voir Informations supplémentaires pour plus de détails), la réduction de la recombinaison non géminée est exponentiellement proportionnelle à la barrière B,

où \(\xi =1/\langle {e}^{-\frac{U\left(x\right)}{{k}_{\mathrm{B}}T}}\rangle \sim 1\), et \(R\) est le coefficient de recombinaison de l'interface. L'équation (3) suggère que \(\gamma \) est activé par la température, ce qui a en effet été observé expérimentalement, voir Fig. S3. Le potentiel de polarisation \(B\) est en fait une quantité plutôt impliquée qui dépend de la rugosité de l'interface, du garnissage moléculaire, de la contribution électrostatique à l'état solide à l'énergie d'ionisation et de l'affinité électronique9,48,56. La dépendance clé dans le cas des accepteurs alignés le long de l'interface donneur-accepteur est cependant due à l'interaction d'une charge avec les moments quadripolaires des molécules NFA environnantes56, avec une contribution dominante due à la composante le long de la direction \(\pi \)-implantation, \({Q}_{\pi }\),

Cette proportionnalité est illustrée à la Fig. 3c. Pour IE4F-S, ayant un grand moment quadripolaire, le préfacteur de Langevin est le plus bas. Pour Y6 et IT-4F, les moments quadripolaires sont similaires, présentant également une réduction similaire de la recombinaison bimoléculaire. Les plus petits quadripôles des accepteurs étudiés dans cette étude sont observés pour O-IDTBR et PCBM (dimère), qui a le préfacteur de Langevin le plus élevé. La figure 3c est complétée par les préfacteurs de Langevin obtenus à partir de la littérature57,58, avec les moments quadripolaires des accepteurs respectifs calculés comme indiqué dans le tableau S2. Ces résultats corroborent la relation entre le préfacteur de Langevin et le moment quadripolaire, suggérant que le potentiel de biais à l'interface donneur-accepteur supprime en effet la recombinaison bimoléculaire. La barrière près de l'interface donneur-accepteur réduit ainsi la population d'électrons à l'interface, ce qui réduit le taux de recombinaison bimoléculaire, étant proportionnel au produit de la concentration d'électrons et de trous.

Notez que le moment quadripolaire de l'accepteur n'est pas le seul paramètre contribuant au potentiel de polarisation et, par extension, au taux de recombinaison bimoléculaire réduit. Par exemple, le mélange à l'interface donneur-accepteur est un autre facteur important qui affecte le potentiel de biais50, rationalisant les différents préfacteurs de Langevin observés pour les mélanges donneur-accepteur traités dans différentes conditions33,38,59. Cependant, dans les cellules optimisées, nous nous attendons à ce que le moment quadripolaire de l'accepteur joue un rôle important. De la même manière, le moment quadripolaire du donneur contribue également au potentiel de biais, de sorte que les comparaisons entre différents accepteurs en fonction de leurs moments quadripolaires ne sont justifiées que lorsque des donneurs identiques ou très similaires sont pris en compte. Les moments quadripolaires de plusieurs polymères donneurs sont répertoriés dans le tableau S3 à des fins de comparaison. Bien que le moment quadripolaire ne fournisse pas toujours une explication complète du taux de recombinaison bimoléculaire réduit observé dans tous les systèmes, il s'agit probablement d'un facteur important, de la même manière qu'il est important pour la génération de charge9,18,53,54, car la recombinaison bimoléculaire se produit également via l'état CT.

Le taux de recombinaison bimoléculaire et le transport de charge dans une série de cellules solaires organiques à haute performance basées sur des accepteurs non fullerènes ont été étudiés. À partir de mesures d'injection d'obscurité en régime permanent et de simulations de dérive-diffusion des caractéristiques courant-tension sous éclairage, des facteurs de réduction de Langevin allant jusqu'à plus de deux ordres de grandeur sont observés. Il a été démontré qu'une recombinaison bimoléculaire réduite peut expliquer les facteurs de remplissage élevés de ces cellules solaires basées sur des accepteurs non fullerènes. Pour rationaliser les taux de recombinaison réduits, nous effectuons des simulations de potentiel électrostatique, qui démontrent une courbure de bande près des interfaces donneur-accepteur, formant une barrière pour la recombinaison de charge. La barrière formée est liée au moment quadripolaire des accepteurs non-fullerènes, en corrélation avec les facteurs de réduction de Langevin observés expérimentalement. Ces résultats démontrent que la recombinaison bimoléculaire réduite est un élément essentiel pour les facteurs de remplissage élevés observés des cellules solaires organiques basées sur des accepteurs non-fullerènes et contribuent en outre à comprendre les grands écarts par rapport à la recombinaison de Langevin, fournissant des règles de conception pour supprimer les pertes de recombinaison dans les cellules solaires organiques.

Toutes les couches actives ont été déposées par centrifugation dans une boîte à gants remplie d'azote. Pour les films PM6:IT-4F, le mélange dans son rapport optimal donneur/accepteur (D/A) (1:1, p/p) a été dissous dans du chlorobenzène et 1 % (v/v) de 1,8-diiodooctane (DIO) comme solvant additif. Les films enduits de spin ont été recuits à 100 ℃ pendant 10 min. Pour PM6:Y6, une solution de chloroforme a été préparée avec un rapport D/A de 1:1,2. Ensuite, 0,5 % (v/v) de chloronaphtalène (CN) ont été ajoutés et les films revêtus par centrifugation ont été recuits thermiquement à 110 °C pendant 10 min. Pour PM6:PC61BM, une solution de chloroforme avec un rapport D/A de 1:1 avec 0,5 % (v/v) de DIO comme additif a été préparée. Pour les mélanges à base de PBDB-T, le PBDB-T:O-IDTBR a été dissous dans du chlorobenzène avec un rapport D/A de 1:1,5 (p/p) et 0,5 % (v/v) de CN en tant qu'additif et des films revêtus par centrifugation ont été recuits à 120 ℃ pendant 10 min. PBDB-T:IE4F-S a été dissous dans un rapport 1:1 (p/p) dans du chlorobenzène, et le film résultant a été recuit à 160 ℃ pendant 10 min.

Des dispositifs à trou seul, à électron seul et à double porteuse ont été fabriqués sur des substrats de verre avec les structures de dispositif respectives de Cr(1 nm)/Au(30 nm)/PEDOT:PSS(40 nm)/couche active/MoO3(10 nm)/Al(100 nm), Al(30 nm)/couche active/Ba(5 nm)/Al(100 nm) et Cr(1 nm)/Au(30 nm)/PEDOT:PS S(40 nm)/couche active/Ba(5 nm)/Al(100 nm). Les substrats en verre ont d'abord été nettoyés avec une solution détergente et de l'eau déionisée, suivis d'une sonication dans de l'acétone et de l'alcool isopropylique. Pour les dispositifs à trou uniquement et à double support, Cr et Au ont été évaporés thermiquement en tant qu'électrode inférieure. Ces électrodes métalliques ont été utilisées à la place des électrodes d'oxyde d'indium-étain (ITO) pour réduire l'effet de la résistance série des électrodes à des densités de courant élevées. Une couche d'injection de trous de PEDOT:PSS (VP Al4083, HC Starck) a été appliquée par spin-coating. Pour les dispositifs à électrons uniquement, 30 nm d'Al ont été évaporés thermiquement en tant qu'électrode inférieure. Dans tous les dispositifs, les électrodes supérieures ont été appliquées par évaporation thermique. Pour les cellules solaires mesurées sous illumination, la structure du dispositif était ITO/PEDOT : PSS/couche active/PDINO/Al (100 nm).

Toutes les mesures électriques ont été effectuées dans une boîte à gants remplie d'azote. Les mesures courant-tension ont été effectuées avec un compteur source Keithley 2400. Les épaisseurs de couche ont été mesurées avec un profilomètre Bruker Dektak XT.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable. Les fichiers journaux pour les simulations gaussiennes sont disponibles en tant qu'informations complémentaires.

Lin, Y. et al. Un accepteur d'électrons défiant les fullerènes pour des cellules solaires polymères efficaces. Adv. Mater. 27, 1170-1174 (2015).

Article CAS PubMed Google Scholar

Armin, A. et al. Une histoire et une perspective des accepteurs d'électrons non fullerènes pour les cellules solaires organiques. Adv. Matière énergétique. s/o, 2003570 (2021).

Article Google Scholar

Meredith, P., Li, W. & Armin, A. Accepteurs non fullerènes : une renaissance du photovoltaïque organique ?. Adv. Matière énergétique. 10, 2001788 (2020).

Article CAS Google Scholar

Zou, Y. et al. Réglage du noyau déficient en électrons de l'accepteur non fullerène pour atteindre une efficacité supérieure à 17% dans une cellule solaire organique à jonction unique. Énergie Environ. Sci. https://doi.org/10.1039/d0ee00862a (2020).

Article Google Scholar

Yao, J. et al. Ingénierie cathodique avec couche intermédiaire de pérylène-diimide permettant des cellules solaires organiques à jonction unique d'une efficacité supérieure à 17 %. Nat. Commun. 11, 1–10 (2020).

Annonces d'article Google Scholar

Yuan, J. et al. Cellule solaire organique à jonction unique avec une efficacité supérieure à 15 % utilisant un accepteur à anneau fusionné avec un noyau déficient en électrons. Joule 3, 1140-1151 (2019).

Article CAS Google Scholar

Dimitrov, SD et al. Sur la dépendance énergétique de la séparation de charge dans les mélanges polymère/fullerène à faible bande interdite. Confiture. Chim. Soc. 134, 18189–18192 (2012).

Article CAS PubMed Google Scholar

Hendriks, KH, Wijpkema, ASG, van Franeker, JJ, Wienk, MM & Janssen, RAJ Rôle dichotomique de l'excitation du donneur ou de l'accepteur sur la génération de charge dans les cellules solaires organiques. Confiture. Chim. Soc. 138, 10026-10031 (2016).

Article CAS PubMed Google Scholar

Karuthedath, S. et al. Limites d'efficacité intrinsèque dans les cellules solaires organiques accepteurs sans fullerène à faible bande interdite. Nat. Mater. 20, 378–384 (2021).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Shen, X., Han, G., Fan, D., Xie, Y. & Yi, Y. Les états de transfert de charge chauds déterminent la dissociation des excitons dans le complexe DTDCTB/C60 pour les cellules solaires organiques : un aperçu théorique. J.Phys. Chim. C 119, 11320–11326 (2015).

Article CAS Google Scholar

Shoaee, S. et al. Photogénération de charge pour une série de polymères donneurs de thiazolo-thiazole mélangés aux accepteurs d'électrons fullerène PCBM et ICBA. Adv. Fonct. Mater. 23, 3286–3298 (2013).

Article CAS Google Scholar

Burke, TM, Sweetnam, S., Vandewal, K. & McGehee, MD Au-delà de la recombinaison de Langevin : comment l'équilibre entre les porteurs libres et les états de transfert de charge détermine la tension en circuit ouvert des cellules solaires organiques. Adv. Matière énergétique. 5, 1500123 (2015).

Article Google Scholar

Albrecht, S. et al. Sur l'efficacité de la séparation de l'état de transfert de charge dans un polymère : cellules solaires à fullerène. Adv. Mater. 26, 2533-2539 (2014).

Article CAS PubMed Google Scholar

Benduhn, J. et al. Pertes de tension intrinsèques non radiatives dans les cellules solaires organiques à base de fullerène. Nat. Énergie 2, 1–6 (2017).

Article Google Scholar

Vandewal, K. et al. Génération de charge efficace par des états de transfert de charge détendus aux interfaces organiques. Nat. Mater. 13, 63–68 (2014).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Nakano, K. et al. Anatomie de la force motrice énergétique pour la génération de charge dans les cellules solaires organiques. Nat. Commun. 10, 2520 (2019).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Schwarze, M. et al. Impact des moments quadripolaires moléculaires sur les niveaux d'énergie aux hétérojonctions organiques. Nat. Commun. 10, 1–9 (2019).

Article CAS Google Scholar

Pardigan-Bull, L. et al. Génération de charge sans obstacle dans la cellule solaire non fullerène à hétérojonction en vrac PM6: Y6 haute performance. Adv. Mater. s/o, 1906763 (2020).

Article Google Scholar

Deibel, C. & Dyakonov, V. Cellules solaires à hétérojonction en vrac polymère-fullerène. Rép. Prog. Phys. 73, 096401 (2010).

Annonces d'article Google Scholar

Zhang, X. et al. Comprendre le transport de charge et les pertes de recombinaison dans les cellules solaires polymères hautes performances avec des accepteurs non fullerènes. J. Mater. Chim. A 5, 17230–17239 (2017).

Article CAS Google Scholar

Karki, A. et al. Comprendre la haute performance de plus de 15 % d'efficacité dans les cellules solaires organiques à hétérojonction en vrac à jonction unique. Adv. Mater. 31, 1903868 (2019).

Article CAS Google Scholar

Vollbrecht, J. et al. Conception d'accepteurs non-fullerènes à bande interdite étroite pour des applications photovoltaïques et étude de la dynamique de recombinaison non géminée. J. Mater. Chim. C 8, 15175-15182 (2020).

Article CAS Google Scholar

Khan, JI et al. Impact du moment quadripolaire accepteur sur la génération de charge et la recombinaison dans des mélanges d'accepteurs non fullerènes à base d'IDT avec PCE10 comme polymère donneur. Adv. Matière énergétique. s/o, 2100839 (2021).

Article Google Scholar

Bartesaghi, D. et al. La compétition entre recombinaison et extraction des charges libres détermine le facteur de remplissage des cellules solaires organiques. Nat. Commun. 6, 2–11 (2015).

Article Google Scholar

Koster, LJA, Mihailetchi, VD, Ramaker, R. & Blom, PWM Dépendance de l'intensité lumineuse de la tension en circuit ouvert du polymère: cellules solaires fullerène. Appl. Phys. Lett. 86, 123509 (2005).

Annonces d'article Google Scholar

Albrecht, U. & Bässler, H. Efficacité de la recombinaison de charge dans les diodes électroluminescentes organiques. Chim. Phys. 199, 207–214 (1995).

Article CAS Google Scholar

Kuik, M., Koster, LJA, Wetzelaer, GAH & Blom, PWM Recombinaison assistée par piège dans des semi-conducteurs organiques désordonnés. Phys. Rév. Lett. 107, 256805 (2011).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Lakhwani, G., Rao, A. & Friend, RH Recombinaison bimoléculaire dans le photovoltaïque organique. Annu. Rév. Phys. Chim. 65, 557-581 (2014).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Wetzelaer, G.-JAH, der Kaap, NJV, Koster, LJA & Blom, PWM Quantification de la recombinaison bimoléculaire dans les cellules solaires organiques à l'état d'équilibre. Adv. Matière énergétique. 3, 1130-1134 (2013).

Article CAS Google Scholar

Heiber, MC, Baumbach, C., Dyakonov, V. & Deibel, C. Recombinaison de porteurs de charge limitée par la rencontre dans des mélanges de semi-conducteurs organiques à séparation de phase. Phys. Rév. Lett. 114, 136602 (2015).

Article ADS PubMed Google Scholar

Zarrabi, N. et al. Preuve expérimentale concernant la cinétique de l'état de transfert de charge et la recombinaison bimoléculaire fortement réduite dans les cellules solaires organiques. J.Phys. Chim. Lett. 11, 10519–10525 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Armin, A. et al. Recombinaison réduite dans les cristaux liquides nématiques moléculaires à haut rendement : cellules solaires fullerènes. Adv. Matière énergétique. 6, 1600939 (2016).

Article Google Scholar

Shoaee, S. et al. Décodage de la recombinaison de charge par génération de charge dans les cellules solaires organiques. Sol. RRL 3, 1900184 (2019).

Article CAS Google Scholar

Gillett, AJ et al. Le rôle de la recombinaison de charge aux excitons triplets dans les cellules solaires organiques. Nature 597, 666–671 (2021).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Hood, SN & Kassal, I. L'entropie et le désordre permettent la séparation des charges dans les cellules solaires organiques. J.Phys. Chim. Lett. 7, 4495–4500 (2016).

Article CAS PubMed Google Scholar

Hosseini, SM et al. Mettre de l'ordre dans les cellules solaires PM6:Y6 pour réduire la recombinaison de Langevin dans une jonction de 400 nm d'épaisseur. Sol. RRL 4, 2000498 (2020).

Article CAS Google Scholar

Zuo, G., Shoaee, S., Kemerink, M. & Neher, D. Règles générales pour l'impact du désordre énergétique et de la mobilité sur la recombinaison non géminée dans les cellules solaires organiques à phases séparées. Phys. Rév. Appl. 16, 034027 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Schwarz, KN et al. Recombinaison réduite et accumulation de charge semblable à un condensateur dans une hétérojonction organique. Confiture. Chim. Soc. 142, 2562-2571 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Cha, H. et al. Suppression des pertes de recombinaison dans le polymère : Cellules solaires organiques accepteurs non fullerène en raison de la dépendance à l'agrégation de l'affinité électronique de l'accepteur. Adv. Matière énergétique. 9, 1901254 (2019).

Article Google Scholar

Pan, MA et al. Cellules photovoltaïques organiques mélangées ternaires à 16,7 % d'efficacité avec PCBM comme additif accepteur pour augmenter la tension en circuit ouvert et la pureté de phase. J. Mater. Chim. A 7, 20713–20722 (2019).

Article CAS Google Scholar

Fan, Q. et al. Effet synergique de la fluoration sur les matériaux donneurs et accepteurs pour les cellules solaires polymères non fullerène haute performance avec une efficacité de 13,5 %. Sci. Chine Chim. 61, 531-537 (2018).

Article CAS Google Scholar

Zou, Y. et al. Cellules solaires polymères hautes performances avec une perte d'énergie minimale grâce à un accepteur non fullerène torsadé à chaîne principale. Chim. Mater. 31, 4222–4227 (2019).

Article CAS Google Scholar

Holliday, S. et al. Cellules solaires polymères à base de P3HT à haut rendement et stables à l'air avec un nouvel accepteur sans fullerène. Nat. Commun. 7, 1–11 (2016).

Article Google Scholar

Pauling, L. Processus électroniques dans les cristaux ioniques. Par NF Mott et RW Gurney. J.Phys. Chim. 45, 1142-1142 (1941).

Article Google Scholar

Koster, LJA, Smits, ECP, Mihailetchi, VD & Blom, PWM Modèle de dispositif pour le fonctionnement de cellules solaires à hétérojonction en vrac polymère/fullerène. Phys. Rév. B 72, 085205 (2005).

Annonces d'article Google Scholar

Chen, Z.-H. et coll. Effet de cristallisation caractérisé quantitativement sur la perte d'énergie de recombinaison dans les cellules solaires organiques non fullerènes. J.Phys. Chim. C 123, 12676–12683 (2019).

Article CAS Google Scholar

Poelking, C. & Andrienko, D. Enrobage à longue portée d'ions moléculaires et d'excitations dans un environnement moléculaire polarisable. J. Chem. Calcul théorique. 12, 4516–4523 (2016).

Article CAS PubMed Google Scholar

Poelking, C. & Andrienko, D. Règles de conception pour les hétérojonctions organiques donneur-accepteur : voie de séparation et de dépiégeage des charges. Confiture. Chim. Soc. 137, 6320–6326 (2015).

Article CAS PubMed Google Scholar

Poelking, C. et al. Impact de l'ordre mésoéchelle sur la tension en circuit ouvert dans les cellules solaires organiques. Nat. Mater. 14, 434–439 (2015).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Poelking, C. et al. Tension en circuit ouvert des cellules solaires organiques : la rugosité de l'interface fait la différence. Commun. Phys. 5, 1–7 (2022).

Article Google Scholar

Markina, A. et al. Règles de conception chimique pour les accepteurs non fullerènes dans les cellules solaires organiques. Adv. Matière énergétique. 11, 2102363 (2021).

Article CAS Google Scholar

Clarke, TM & Durrant, JR Photogénération de charge dans les cellules solaires organiques. Chim. Rév. 110, 6736–6767 (2010).

Article CAS PubMed Google Scholar

Sini, G. et al. Sur l'origine moléculaire de la séparation de charge à l'interface donneur-accepteur. Adv. Matière énergétique. 8, 1702232 (2018).

Article Google Scholar

de Sousa, LE, Coropceanu, V., Filho, DADS & Sini, G. Sur les origines physiques de la séparation de charge aux interfaces donneur-accepteur dans les cellules solaires organiques : flexion de l'énergie contre désordre énergétique. Adv. Théorie Simul. 3, 1900230 (2020).

Article Google Scholar

Adriaenssens, GJ & Arkhipov, VI Recombinaison non-Langevin dans des matériaux désordonnés avec des distributions potentielles aléatoires. Solid State Commun. 103, 541-543 (1997).

Article ADS CAS Google Scholar

Markina, A. et al. Règles de conception chimique pour les accepteurs non fullerènes dans les cellules solaires organiques. Adv. Matière énergétique. https://doi.org/10.1002/aenm.202102363 (2021).

Article Google Scholar

Song, X. et al. Petite molécule hautement cristalline de type n à anneau fusionné pour cellules solaires organiques à base d'accepteurs non fullerènes et transistors à effet de champ. Adv. Fonct. Mater. 28, 1802895 (2018).

Khan, JI et al. Impact du moment quadripolaire de l'accepteur sur la génération de charge et la recombinaison dans les mélanges d'accepteurs non fullerènes à base d'IDT avec PCE10 comme polymère donneur. Adv. Matière énergétique. 11, 2100839 (2021).

Wilken, S. et al. Comment réduire la recombinaison de charge dans les cellules solaires organiques : il y a encore des leçons à tirer de P3HT:PCBM. Adv. Électron. Mater. 7, 2001056 (2021).

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Laboratoire des matériaux optoélectroniques avancés, Collège de chimie, génie chimique et science des matériaux, Université Soochow, Suzhou, 215123, Chine

Yue Wu, Hongyu Fan, Hang Yang, Chaohua Cui et Yongfang Li

Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères, Ackermannweg 10, 55128, Mayence, Allemagne

Yue Wu, Yungui Li, Bas Van Der Zee, Wenlan Liu, Anastasia Markina, Paul WM Bloom, Denis Andrienko et Gert-Jan AH Wetzelaer

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YW et HF ont effectué les mesures et contribué à l'analyse des données. YL et BvdZ ont contribué à l'analyse des données. WL et AM ont effectué des simulations informatiques des moments quadripolaires moléculaires et des potentiels associés. HY a réalisé la synthèse des matériaux. CC, YL, PWMB, DA et GAHW ont supervisé le projet. GAHW et DA ont conçu les expériences, rédigé le manuscrit et contribué à l'analyse des données. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Chaohua Cui ou Gert-Jan AH Wetzelaer.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Wu, Y., Li, Y., van der Zee, B. et al. Recombinaison de charge bimoléculaire réduite dans des cellules solaires organiques efficaces comprenant des accepteurs non fullerènes. Sci Rep 13, 4717 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31929-6

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Reçu : 16 décembre 2022

Accepté : 20 mars 2023

Publié: 22 mars 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-31929-6

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