Piccoli accettatori di energia di riorganizzazione consentono basse perdite di energia in ambienti non

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3256 (2022) Citare questo articolo

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Ridurre al minimo la perdita di energia è di fondamentale importanza nel tentativo di ottenere celle solari organiche ad alte prestazioni. È interessante notare che l'energia di riorganizzazione gioca un ruolo cruciale nei processi di conversione fotoelettrica. Tuttavia, la comprensione della relazione tra energia di riorganizzazione e perdite di energia è stata raramente studiata. Qui sono stati sviluppati due accettori, Qx-1 e Qx-2. Le energie di riorganizzazione di questi due accettori durante i processi di conversione fotoelettrica sono sostanzialmente inferiori rispetto all'accettore Y6 convenzionale, il che è vantaggioso per migliorare la durata dell'eccitone e la lunghezza di diffusione, promuovere il trasporto di carica e ridurre la perdita di energia derivante dalla dissociazione degli eccitoni e dalla ricombinazione non radiativa . Pertanto, un'elevata efficienza del 18,2% con un'elevata tensione a circuito aperto superiore a 0,93 V nella miscela PM6:Qx-2, è accompagnata da una perdita di energia significativamente ridotta di 0,48 eV. Questo lavoro sottolinea l'importanza della riorganizzazione energetica per ottenere piccole perdite di energia e apre la strada per ottenere celle solari organiche ad alte prestazioni.

Negli ultimi anni, le celle solari organiche (OSC) hanno guadagnato ampia attenzione perché sono leggere, processabili in soluzione e garantiscono la preparazione di dispositivi a film sottile flessibile semitrasparente e di ampia area a basso costo1,2,3,4,5. Grazie ai grandi sforzi nella progettazione dei materiali e nell'ottimizzazione dei dispositivi6,7,8,9, l'efficienza di conversione di potenza (PCE) degli OSC basati su accettori nonfullerenici Y6 (NFA) ha raggiunto il 18% per i dispositivi binari e il 20% per quelli ternari e tandem dispositivi10,11,12,13. Tuttavia, rispetto alle celle solari inorganiche e alla perovskite, le prestazioni fotovoltaiche degli OSC sono ancora indietro a causa delle perdite di energia relativamente più significative14,15,16,17. Attualmente, la tensione a circuito aperto (VOC) della maggior parte degli OSC ad alte prestazioni è ancora limitata a 0,8–0,9 V18,19 e la perdita di energia è generalmente maggiore di 0,5 eV20,21,22. Pertanto, per migliorare ulteriormente l’efficienza degli OSC, è necessario comprendere meglio la fonte della perdita di energia e quindi ridurla ulteriormente attraverso una progettazione molecolare razionale.

In generale, la perdita di energia negli OSC deriva principalmente da due aspetti: la forza trainante per la dissociazione degli eccitoni e la ricombinazione non radiativa. Di conseguenza, sono state proposte molte strategie per ridurre le perdite energetiche; o riducendo l'energia di legame degli eccitoni regolando l'impaccamento molecolare, che minimizzerà la forza motrice richiesta per la dissociazione degli eccitoni23,24,25, oppure, sopprimendo la ricombinazione non radiativa durante i processi di conversione fotoelettrica, come il decadimento degli eccitoni, il trasferimento di carica (CT) decadimento dello stato e ricombinazione non geminata (bimolecolare)22,26,27,28. Queste ricombinazioni non radiative sono tutte associate all'accoppiamento elettrone-vibrazione (ovvero all'energia di riorganizzazione λ, che descrive le deformazioni delle geometrie molecolari nel corso del processo di trasferimento degli elettroni e riflette le interazioni tra elettroni e vibrazioni intramolecolari). Inoltre, secondo la teoria classica del trasferimento di elettroni di Marcus (\({k}_{{{{{\rm{ET}}}}}}={V}_{{{{{{\rm{if }}}}}}}^{2}\sqrt{\tfrac{{{{{{\rm{\pi }}}}}}}{{{\lambda }k}_{{{{{{\ rm{B}}}}}}}{{{{{{\rm{T}}}}}}\hslash }^{2}}}\,{{\exp }}\left[-\tfrac{ {\left(\triangle G+{\lambda }\right)}^{2}}{{4{\lambda }k}_{{{{{\rm{B}}}}}}}T}\ destra]\), dove λ è l'energia di riorganizzazione, V rappresenta l'accoppiamento elettronico tra lo stato iniziale e lo stato finale, ΔG è la variazione di energia libera)29, piccole energie di riorganizzazione facilitano la riduzione della forza motrice richiesta per la dissociazione degli eccitoni. Pertanto, l'energia di riorganizzazione gioca un ruolo cruciale nella conversione fotoelettrica e nei processi di perdita di energia per gli OSC.

In questo lavoro, basato sull'NFA di tipo Y come spina dorsale molecolare, sostituendo il nucleo fuso con benzotiadiazolo (BTZ) con un nucleo fuso con chinossalina (Qx), sono stati ottenuti due accettori di piccole molecole, Qx-1 e Qx-2. progettati e sintetizzati (Fig. 1a e i loro nomi completi sono forniti in Supplementare). Storicamente, Qx e i suoi derivati ​​hanno dimostrato vari vantaggi, come deboli proprietà elettron-carenti, strutture piane rigide, facilità di modificazione chimica e molteplici posizioni di sostituzione, che possono ben regolare le loro proprietà fisiche e chimiche30,31,32,33,34 ,35. I nostri calcoli e i risultati sperimentali hanno rivelato che le energie di riorganizzazione durante i processi di conversione fotoelettrica di questi due accettori sono sostanzialmente inferiori rispetto all’accettore Y6, il che è vantaggioso per migliorare la durata dell’eccitone e la lunghezza di diffusione, promuovere il trasporto di carica e sopprimere la ricombinazione di carica. Di conseguenza, sono state ottenute perdite di energia significativamente ridotte rispettivamente di 0,508 eV e 0,482 eV per i sistemi Qx-1 e Qx-2, consentendo effettivamente ai COV di entrambe le miscele di raggiungere oltre 0,9 V con PM6 (un donatore di polimeri è mostrato in Supplementare Fig. 1) come donatore. Di conseguenza, si ottiene un PCE elevato del 18,2% nella miscela PM6:Qx-2 con un VOC elevato di 0,934 V, JSC di 26,5 mA cm−2 e un fattore di riempimento (FF) del 73,7%. Per quanto ne sappiamo, la perdita di energia ottenuta è la più piccola per gli OSC binari con PCE superiori al 17% riportati fino ad oggi. Questo lavoro, quindi, sottolinea l'importanza dell'energia di riorganizzazione per ottenere piccole perdite di energia nei materiali attivi organici e apre la strada per ottenere OSC ad alte prestazioni.