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Jul 25, 2023

Reduzierte bimolekulare Ladungsrekombination in effizienten organischen Solarzellen, die nicht enthalten

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 4717 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die bimolekulare Ladungsrekombination ist einer der wichtigsten Verlustprozesse in organischen Solarzellen. Allerdings ist die bimolekulare Rekombinationsrate in Solarzellen, die auf neuartigen Nicht-Fulleren-Akzeptoren basieren, weitgehend unklar. Darüber hinaus ist der Ursprung der reduzierten Langevin-Rekombinationsrate in Massensolarzellen mit Heteroübergang im Allgemeinen immer noch wenig verstanden. Hier untersuchen wir die bimolekulare Rekombinationsrate und den Ladungstransport in einer Reihe organischer Hochleistungssolarzellen auf Basis von Nicht-Fulleren-Akzeptoren. Aus stationären Dunkelinjektionsmessungen und Drift-Diffusions-Simulationen der Strom-Spannungs-Kennlinien unter Beleuchtung werden Langevin-Reduktionsfaktoren von bis zu mehr als zwei Größenordnungen beobachtet. Die reduzierte Rekombination ist entscheidend für die hohen Füllfaktoren dieser Solarzellen. Es wird beobachtet, dass die Langevin-Reduktionsfaktoren mit dem Quadrupolmoment der Akzeptoren korrelieren, das für die Bandbiegung an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche verantwortlich ist und eine Barriere für die Ladungsrekombination bildet. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse daher, dass die unterdrückte bimolekulare Rekombination für die Leistung organischer Solarzellen wesentlich ist und Designregeln für neuartige Materialien liefert.

Die Entwicklung von Nicht-Fulleren-Akzeptoren hat kürzlich die Verbesserung der Leistungsumwandlungseffizienz organischer Solarzellen beschleunigt1,2,3. Infolgedessen hat der Wirkungsgrad organischer Single-Junction-Solarzellen 18 %4,5 erreicht. Der jüngste Übergang von herkömmlichen Fulleren- zu Nicht-Fulleren-Akzeptoren bietet die Vorteile einer größeren Flexibilität bei der Abstimmung der Energieniveaus sowie der Realisierung eines komplementären Absorptionsspektrums zu dem der Donorpolymere1,6. Während bei der Effizienz organischer Solarzellen mit Nicht-Fulleren-Akzeptoren große Fortschritte erzielt wurden, ist nicht vollständig geklärt, warum diese Akzeptoren so gut funktionieren7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17 ,18,19. Insbesondere die bimolekularen Rekombinationsraten wurden in diesen Solarzellen nur spärlich untersucht18,20,21,22,23. Es ist bekannt, dass die nichtgeminierte Rekombination eine wichtige Rolle für den Füllfaktor von Solarzellen24 sowie für die Leerlaufspannung25 und damit für die Leistungsumwandlungseffizienz spielt. Während die bimolekulare Rekombination in Halbleitern mit geringer Mobilität eng dem Langevin-Mechanismus26,27 folgt und auf der Diffusion entgegengesetzt geladener Träger zueinander in ihrem gegenseitigen Coulomb-Feld basiert, kann die bimolekulare Rekombinationsrate in effizienten organischen Bulk-Heterojunction-Solarzellen Größenordnungen von betragen Größenordnung niedriger als die vorhergesagte Langevin-Rate basierend auf der Mobilität der Ladungsträger28. Man kann die reduzierte Langevin-Rekombinationsrate nach29 beschreiben

wobei \(\gamma \) der Langevin-Reduktionsfaktor ist, q die Elementarladung ist, ε die Permittivität des Materials ist und \({\mu }_{n}\) und \({\mu }_{ p}\) sind die Beweglichkeiten von Elektronen bzw. Löchern. Der Ursprung des Langevin-Reduktionsfaktors, der Werte sogar unter \({10}^{-3}\)29 annehmen kann, ist nicht vollständig geklärt, obwohl die Sub-Langevin-Rekombination für die Erzielung leistungsstarker organischer Solarenergie von größter Bedeutung ist Zellen. Während Phasentrennung in einem Bulk-Heteroübergang in Kombination mit unausgeglichenen Mobilitäten zu geringfügigen Abweichungen von der klassischen Langevin-Rekombination führen kann, reicht dies nicht aus, um die häufig beobachteten großen Abweichungen vom Langevin-Rekombinationskoeffizienten zu erklären30. Eine verringerte Langevin-Rekombination wurde mit einer verstärkten Dissoziation von Ladungstransfer-Exzitonen an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche in Verbindung gebracht31,32,33, obwohl der Ursprung einer verbesserten CT-Zustands-Dissoziationsrate selbst nicht eindeutig ist34. Eine verstärkte CT-Dissoziation wurde mit Domänen mit stärkerer Perkolation31, mit energetischer Störung35,36,37 und mit einer energetischen Kaskade zwischen reinen und gemischten Phasen der Donor-Akzeptor-Mischung38,39 in Verbindung gebracht. Da es sich um einen wichtigen Faktor für die Geräteleistung handelt, ist es von entscheidender Bedeutung, den Ursprung der reduzierten Langevin-Rekombination in organischen Solarzellen zu verstehen.

Hier untersuchen wir die bimolekulare Rekombination in einer Reihe organischer Solarzellen, die den auf fluoriertem Thienylbenzodithiophen (BDT-2F) basierenden Donor PM6, gemischt mit drei verschiedenen Akzeptoren PC61BM40, IT-4F41 und Y66, und PBDB-T, gemischt mit IE4F-S42, umfassen oder O-IDTBR43 (wie in Abb. S1 gezeigt). Durch Messung der stationären Elektronen-, Loch- und Doppelträgerströme im Dunkeln werden die Ladungsträgermobilitäten und Langevin-Vorfaktoren ermittelt. Die Rekombinationsvorfaktoren werden zusätzlich durch Simulation der Strom-Spannungs-Kennlinien der Solarzellen unter Beleuchtung ermittelt. Bei leistungsstarken Systemen werden Langevin-Reduktionsfaktoren von etwa 10–2 oder sogar weniger erreicht, was nachweislich von entscheidender Bedeutung für den Füllfaktor der Solarzellen ist. Computersimulationen zeigen, dass das Quadrupolmoment der Akzeptoren für die Bandbiegung an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche verantwortlich ist, was zu einer Energiebarriere für die bimolekulare Rekombination führt. Die berechneten Quadrupolmomente korrelieren mit den gemessenen Rekombinationsraten und erklären so die hohe Leistung organischer Solarzellen auf Basis von Nicht-Fulleren-Akzeptoren.

Um die bimolekulare Rekombination in organischen Zellen zu untersuchen, messen wir raumladungsbegrenzte Ströme (SCLCs) in den Donor-Akzeptor-Mischungen. Die Messung von SCLCs ist eine bekannte Methode, um die stationäre Ladungsträgermobilität in Halbleitern zu ermitteln29. Durch die selektive Injektion von Elektronen oder Löchern in das Material oder die Materialmischung baut sich eine Raumladung aus Elektronen und Löchern auf. Dies ist die maximal zulässige elektrostatische Ladung im Halbleiter, die zu einem volumenbegrenzten Strom führt, der nur von der Ladungsträgermobilität abhängt, wie durch das Mott-Gurney-Gesetz44 vorgegeben. Bei gleichzeitiger Injektion von Elektronen und Löchern rekombinieren die Elektronen und Löcher oder neutralisieren sich gegenseitig, abhängig von der Rekombinationsrate. Eine niedrige Rekombinationsrate führt aufgrund der Koexistenz von Elektronen und Löchern zu einer effektiven Ladungsneutralisierung, was einen erhöhten Aufbau von Nettoraumladung ermöglicht. Diese erhöhte Raumladung verstärkt den injizierten Doppelträgerstrom. Daher kann die Größe des Doppelträgerstroms verwendet werden, um das Ausmaß der Ladungsrekombination zu quantifizieren, die mit der Ladungsneutralisierung konkurriert29.

Um die Rekombinationsrate oder den Langevin-Reduktionsfaktor γ zu ermitteln, muss man den Elektronen-, Loch- und Doppelträgerstrom kennen, wie er aus dem Dunkelstrom einer Nur-Elektronen-, Nur-Loch- und Solarzellenvorrichtung erhalten wird , jeweils. Der Langevin-Vorfaktor wird dann analytisch als29 ermittelt

wobei \({J}_{p(n)}\) die Lochstromdichte (Elektronenstromdichte) und \({J}_{D}\) die Doppelträgerstromdichte ist, äquivalent zur injizierten Dunkelstromdichte von eine Solarzelle. Diese Gleichung zeigt, dass niedrige Langevin-Vorfaktoren für hohe injizierte Dunkelströme (JD) erhalten werden, die aus einer effektiven Elektronen- und Lochneutralisierung resultieren. Wir weisen darauf hin, dass γanalytical nur aus experimentell gemessenen Strömen und ohne jegliche Datenanpassung ermittelt wird. Alternativ kann der Langevin-Vorfaktor auch durch Anpassen der JV-Eigenschaften mit numerischen Drift-Diffusions-Simulationen ermittelt werden.

Neben dem Langevin-Vorfaktor kann die Elektronen- und Lochmobilität aus den raumladungsbegrenzten Elektronen- und Lochstromdichten \({J}_{n}\) und \({J}_{p}\) ermittelt werden. Diese werden durch Anpassen der \(J\)-\(V\)-Eigenschaften mit Drift-Diffusions-Simulationen45 erhalten (Abb. S2). Wie in Tabelle 1 dargestellt, sind die Elektronen- und Lochmobilitäten für PM6-basierte optimale Mischfilme ausgeglichen und für alle drei verwendeten Akzeptoren (PCBM, IT-4F und Y6) recht ähnlich, wobei alle Werte nahe bei 3 × 10–8 m2 V liegen −1 s−1. Infolgedessen werden für diese drei Mischungen ähnliche theoretische Langevin-Rekombinationsstärken erwartet. Die abgeleiteten experimentellen Langevin-Vorfaktoren aus Gl. (2) hingegen zeigen einen deutlichen Unterschied mit Reduktionsfaktoren im Bereich von 10–2 für beide Nicht-Fulleren-Akzeptoren und 10–1 für PC61BM und PC71BM (Abb. S4). Alternativ werden die Vorfaktoren durch Anpassen der Dunkelstromeigenschaften (JD-V) von Doppelträgergeräten mit Drift-Diffusionssimulationen erhalten, wobei die erhaltenen experimentellen Mobilitäten und der Langevin-Vorfaktor (γdark) als einziger einstellbarer Anpassungsparameter verwendet werden. Wie aus der zuvor festgestellten Vereinbarung zwischen Gl. (2) und numerische Drift-Diffusions-Simulationen29 ergeben ähnliche Ergebnisse, wie in Tabelle 1 gezeigt.

Um den Einfluss dieser Langevin-Reduktionsfaktoren auf die Solarzellenleistung zu demonstrieren, werden die \(J\)-\(V\)-Eigenschaften der Solarzellen unter Beleuchtung simuliert und mit Experimenten verglichen. Die Simulation der Solarzelleneigenschaften mit klassischer Langevin-Rekombination, wie sie aus den experimentellen Elektronen- und Lochmobilitäten ermittelt wurden, führt zu einer deutlichen Unterschätzung des Füllfaktors und der Leerlaufspannung, wie in Abb. 1a dargestellt. Dies zeigt, dass die bimolekulare Rekombinationsrate gegenüber der Langevin-Rekombination deutlich reduziert sein muss. Bei der Fulleren-basierten Mischung ist die Abweichung vom Experiment am geringsten, was darauf hindeutet, dass die bimolekulare Rekombinationsrate im Vergleich zu Solarzellen mit Nicht-Fulleren-Akzeptoren näher an der Langevin-Rekombination liegt. Dies steht im Einklang mit den Langevin-Vorfaktoren, die aus den Dunkelmessungen ermittelt wurden (Tabelle 1; Abb. 1b).

(a) Stromdichte-Spannungs-Kennlinien von Solarzellen mit einem PM6-Donor und PC61BM, IT-4F oder Y6 als Akzeptor. Die Symbole stellen experimentelle Eigenschaften dar, die durchgezogenen Linien sind Anpassungen der Daten durch Driftdiffusionssimulationen mit den experimentellen Ladungsträgermobilitäten als Eingabe. Bei bekannten Mobilitäten bestimmt die Rekombinationsrate den Füllfaktor, wobei die Ergebnisse für die Langevin-Rekombination (γ = 1) durch die strichpunktierten Linien dargestellt sind. (b) Langevin-Vorfaktoren, direkt erhalten durch Gl. (2) aus den gemessenen Elektronen-, Loch- und Doppelträgerströmen im Dunkeln.

Im nächsten Schritt werden die \(J\)-\(V\)-Eigenschaften unter Beleuchtung unter Verwendung des Langevin-Vorfaktors (γlight) als Anpassungsparameter und unter Verwendung der gemessenen Ladungsträgermobilitäten simuliert. Wie in Abb. 1a zu sehen ist, wird eine hervorragende Übereinstimmung mit dem Experiment erhalten, wobei die verwendeten Langevin-Vorfaktoren (γLicht) in Tabelle 1 aufgeführt sind. Die aus den Drift-Diffusions-Simulationen unter Beleuchtung erhaltenen Vorfaktoren stimmen gut mit denen überein, die durch die Dunkelmessungen ermittelt wurden, um die zu ermitteln erhaltene Werte. Eine wichtige Schlussfolgerung, die aus diesen Ergebnissen gezogen werden kann, ist, dass insbesondere der hohe Füllfaktor eine direkte Folge der verringerten bimolekularen Rekombinationsrate in den Solarzellen auf Basis der Nicht-Fulleren-Akzeptoren ist. Die anständigen Mobilitäten garantieren nicht unbedingt eine gute Geräteleistung (vgl. Simulationen mit der Langevin-Rate in Abb. 1a), was die Bedeutung einer verringerten bimolekularen Rekombination in diesen Systemen hervorhebt.

Während in organischen Massen-Heterojunction-Solarzellen häufig eine verminderte bimolekulare Rekombination beobachtet wurde, ist ihr Ursprung noch nicht vollständig geklärt. Unausgeglichene Mobilitäten in Kombination mit Phasentrennung können für eine geringfügige Verringerung der bimolekularen Rekombinationsrate verantwortlich sein, können jedoch nicht die um mehrere Größenordnungen verringerten Langevin-Koeffizienten erklären30. Solche Reduktionskoeffizienten sind bemerkenswert, insbesondere da die Langevin-Rekombination in unberührten organischen Halbleitern gut befolgt wird26,27. Um den Ursprung der verringerten bimolekularen Rekombination in organischen Solarzellen auf Basis von Nicht-Fulleren-Akzeptoren zu untersuchen, ist es sinnvoll, Systeme zu untersuchen, in denen die bimolekulare Rekombinationsrate deutlich unterschiedlich ist. Daher haben wir die Nicht-Fulleren-Akzeptoren IE4F-S und O-IDTBR ausgewählt, gemischt mit dem nicht-fluorierten Donor PBDB-T, von denen berichtet wurde, dass sie deutlich unterschiedliche Füllfaktoren ergeben 42, 46. Da der Ladungstransport in PBDB-T:O-IDTBR sogar geringfügig überlegen ist (Tabelle 1 und Abb. S5), ist der niedrige Füllfaktor wahrscheinlich auf eine erhöhte bimolekulare Rekombination im Vergleich zum PBDB-T:IE4FS-System zurückzuführen. Wie in Tabelle 1 und Abb. S6 gezeigt, liegt der für das PBDB-T:O-IDTBR-System erhaltene Langevin-Präfaktor tatsächlich nahe an der Langevin-Rekombination, während für PBDB-T:IE4FS die bimolekulare Rekombination um mehr als zwei Größenordnungen reduziert ist im Vergleich zur Langevin-Rekombination. Abbildung 2 zeigt, dass die klassische Langevin-Rekombination die Solarzelleneigenschaften unter Beleuchtung für PBDB-T:O-IDTBR nahezu reproduzieren kann, während der Füllfaktor für PBDB-T:IE4F-S stark unterschätzt wird, was auf eine stark verringerte bimolekulare Rekombination bei letzterem hinweist Fall. Auch wenn der Langevin-Reduktionsfaktor für diese Mischungen deutlich unterschiedlich ist, ist der Unterschied im Füllfaktor nicht so ausgeprägt, was auf den günstigen Elektronen- und Lochtransport in der PBDB-T:O-IDTBR-Solarzelle in Kombination mit a zurückzuführen ist geringere Ladungsträgererzeugungsrate, wodurch die photogenerierte Elektronen- und Lochdichte und damit die bimolekulare Rekombination verringert werden. Andererseits ermöglicht der niedrige Langevin-Vorfaktor in der PBDB-T:IE4F-S-Mischung mehr photogenerierte Ladungsträger bei gleichzeitiger Beibehaltung eines hohen Füllfaktors und erhöht dadurch die Leistungsumwandlungseffizienz.

Stromdichte-Spannungs-Kennlinien von Solarzellen mit einer aktiven PBDB-T:O-IDTBR- oder PBDB-T:IE4F-S-Schicht. Die Symbole stellen experimentelle Eigenschaften dar, die durchgezogenen Linien sind Anpassungen der Daten durch Driftdiffusionssimulationen mit den experimentellen Ladungsträgermobilitäten als Eingabe. Bei bekannten Mobilitäten bestimmt die Rekombinationsrate den Füllfaktor, wobei die Ergebnisse für die Langevin-Rekombination (γ = 1) durch die strichpunktierten Linien dargestellt sind.

Um den Ursprung des Unterschieds in der Rekombinationsstärke im untersuchten System zu untersuchen, haben wir die raue Donor-Akzeptor-Grenzfläche mithilfe des Gittermodells simuliert (Einzelheiten finden Sie in den Zusatzinformationen). Der Konzentrationsgradient führt zu einem Gradienten des elektrostatischen Potentials in der Nähe der Grenzfläche, wie in Abb. 3a dargestellt. Tatsächlich führt dies zu einer Krümmung des Energieniveaus an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche, deren Größe durch das Quadrupolmoment9,17,48,49 und die Durchmischung50 der organischen Halbleiter9,17,48,49 bestimmt wird und eine Reichweite von bis zu 50 hat auf 5–6 nm auf beiden Seiten der Donor-Akzeptor-Grenzfläche48,51, was mit dem effektiven Coulomb-Einfangradius vergleichbar oder größer ist52. Bisher wurde die Rolle des Bias-Potentials bei der Aufspaltung von Ladungsübertragungszuständen erkannt, wodurch die geminierte Rekombination verringert wird9,18,53,54. Wir gehen davon aus, dass das Bias-Potenzial auch eine Barriere für die Rekombination nicht geminierter Tiere darstellen könnte. Die in Abb. 3b dargestellte Krümmung des Energieniveaus an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche würde eine Barriere (B) für Elektronen und Löcher erzeugen, die Elektronen- und Lochdichte in unmittelbarer Nähe der Grenzfläche verringern und die bimolekulare Rekombination unterdrücken.

(a) 2D-Karte der elektrostatischen potentiellen Energieoberfläche für eine Ladung, die mit Quadrupolen umgebender neutraler Moleküle wechselwirkt (dargestellt ist eine Periode einer periodischen Grenzfläche). (b) Energieniveaudiagramm mit Bandbiegung in der Akzeptorphase. Das Vorspannungspotential \(B\) erzeugt eine Barriere für die Ladungsrekombination. (c) Logarithmus des Langevin-Reduktionskoeffizienten als Funktion der \(\pi \)-Komponente des Quadrupoltensors. Blaue Kreise sind Datenpunkte, die in dieser Studie erhalten wurden, grüne Quadrate stellen Langevin-Reduktionsfaktoren dar, die aus der Literatur ermittelt wurden57,58.

Um diese Reduzierung zu quantifizieren, haben wir ein Modell für die bimolekulare Rekombination von Arkhipov modifiziert, das ursprünglich für amorphes Silizium mit einer schwankenden Potenziallandschaft vorgeschlagen wurde55. Innerhalb der Näherungen dieses Modells (Einzelheiten finden Sie in den ergänzenden Informationen) ist die Verringerung der nicht geminierten Rekombination exponentiell proportional zur Barriere B.

wobei \(\xi =1/\langle {e}^{-\frac{U\left(x\right)}{{k}_{\mathrm{B}}T}}\rangle \sim 1\) und \(R\) ist der Grenzflächen-Rekombinationskoeffizient. Gleichung (3) legt nahe, dass \(\gamma \) temperaturaktiviert ist, was tatsächlich experimentell beobachtet wurde, siehe Abb. S3. Das Vorspannungspotential \(B\) ist in der Tat eine ziemlich komplizierte Größe, die von der Grenzflächenrauheit, der molekularen Packung, dem elektrostatischen Beitrag des Festkörpers zur Ionisierungsenergie und der Elektronenaffinität abhängt9,48,56. Die Hauptabhängigkeit im Fall von Akzeptoren, die entlang der Donor-Akzeptor-Grenzfläche ausgerichtet sind, beruht jedoch auf der Wechselwirkung einer Ladung mit Quadrupolmomenten umgebender NFA-Moleküle56, wobei ein dominanter Beitrag auf die Komponente entlang der \(\pi \)- zurückzuführen ist. Absteckrichtung, \({Q}_{\pi }\),

Diese Proportionalität ist in Abb. 3c dargestellt. Für IE4F-S mit einem großen Quadrupolmoment ist der Langevin-Vorfaktor am niedrigsten. Für Y6 und IT-4F sind die Quadrupolmomente ähnlich und zeigen auch eine ähnliche Verringerung der bimolekularen Rekombination. Die kleinsten Quadrupole der in dieser Studie untersuchten Akzeptoren werden für O-IDTBR und PCBM (Dimer) beobachtet, das den höchsten Langevin-Präfaktor aufweist. Abbildung 3c ist mit Langevin-Vorfaktoren aus der Literatur57,58 ergänzt, wobei die Quadrupolmomente der jeweiligen Akzeptoren wie in Tabelle S2 berechnet wurden. Diese Ergebnisse bestätigen die Beziehung zwischen dem Langevin-Vorfaktor und dem Quadrupolmoment und legen nahe, dass das Vorspannungspotential an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche tatsächlich die bimolekulare Rekombination unterdrückt. Die Barriere in der Nähe der Donor-Akzeptor-Grenzfläche verringert somit die Elektronenpopulation an der Grenzfläche, was die bimolekulare Rekombinationsrate verringert, die proportional zum Produkt aus Elektronen- und Lochkonzentration ist.

Beachten Sie, dass das Quadrupolmoment des Akzeptors nicht der einzige Parameter ist, der zum Vorspannungspotential und damit auch zur verringerten bimolekularen Rekombinationsrate beiträgt. Beispielsweise ist die Durchmischung an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche ein weiterer wichtiger Faktor, der das Bias-Potenzial beeinflusst50, was die verschiedenen Langevin-Vorfaktoren erklärt, die für Donor-Akzeptor-Mischungen beobachtet wurden, die unter verschiedenen Bedingungen verarbeitet wurden33,38,59. Wir gehen jedoch davon aus, dass in optimierten Zellen das Quadrupolmoment des Akzeptors eine wichtige Rolle spielt. In ähnlicher Weise trägt auch das Quadrupolmoment des Donors zum Bias-Potenzial bei, sodass Vergleiche zwischen verschiedenen Akzeptoren anhand ihrer Quadrupolmomente nur dann gerechtfertigt sind, wenn gleiche oder sehr ähnliche Donoren berücksichtigt werden. Quadrupolmomente für mehrere Donorpolymere sind zum Vergleich in Tabelle S3 aufgeführt. Auch wenn das Quadrupolmoment möglicherweise nicht immer eine vollständige Erklärung für die beobachtete verringerte bimolekulare Rekombinationsrate in allen Systemen liefert, ist es wahrscheinlich ein wichtiger Faktor, genauso wie es für die Ladungserzeugung9,18,53,54 wie die bimolekulare Rekombination wichtig ist erfolgt auch über den CT-Zustand.

Die bimolekulare Rekombinationsrate und der Ladungstransport in einer Reihe organischer Hochleistungssolarzellen auf Basis von Nicht-Fulleren-Akzeptoren wurden untersucht. Aus stationären Dunkelinjektionsmessungen und Drift-Diffusions-Simulationen der Strom-Spannungs-Kennlinien unter Beleuchtung werden Langevin-Reduktionsfaktoren von bis zu mehr als zwei Größenordnungen beobachtet. Es konnte gezeigt werden, dass eine verminderte bimolekulare Rekombination die hohen Füllfaktoren dieser auf Nicht-Fulleren-Akzeptoren basierenden Solarzellen erklären kann. Um die verringerten Rekombinationsraten zu erklären, führen wir Simulationen des elektrostatischen Potentials durch, die eine Bandbiegung in der Nähe der Donor-Akzeptor-Grenzflächen zeigen, die eine Barriere für die Ladungsrekombination bildet. Die gebildete Barriere hängt mit dem Quadrupolmoment der Nicht-Fulleren-Akzeptoren zusammen und korreliert mit den experimentell beobachteten Langevin-Reduktionsfaktoren. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine verringerte bimolekulare Rekombination ein wesentliches Element für die beobachteten hohen Füllfaktoren organischer Solarzellen auf Basis von Nicht-Fulleren-Akzeptoren ist. Sie tragen außerdem zum Verständnis der großen Abweichungen von der Langevin-Rekombination bei und liefern Designregeln zur Unterdrückung von Rekombinationsverlusten in organischen Solarzellen .

Alle aktiven Schichten wurden durch Schleuderbeschichtung in einer mit Stickstoff gefüllten Glovebox abgeschieden. Für PM6:IT-4F-Filme wurde die Mischung im optimalen Donor/Akzeptor-Verhältnis (D/A) (1:1, w/w) in Chlorbenzol und 1 % (v/v) 1,8-Diiodooctan (DIO) gelöst ) als Lösungsmittelzusatz. Schleuderbeschichtete Filme wurden 10 Minuten lang bei 100 °C getempert. Für PM6:Y6 wurde eine Chloroformlösung mit einem D/A-Verhältnis von 1:1,2 hergestellt. Anschließend wurden 0,5 % (v/v) Chlornaphthalin (CN) zugegeben und die schleuderbeschichteten Filme 10 Minuten lang bei 110 °C thermisch getempert. Für PM6:PC61BM wurde eine Chloroformlösung mit einem D/A-Verhältnis von 1:1 mit 0,5 % (v/v) DIO als Zusatz hergestellt. Für Mischungen auf PBDB-T-Basis wurde PBDB-T:O-IDTBR in Chlorbenzol mit einem D/A-Verhältnis von 1:1,5 (Gew./Gew.) und 0,5 % (V/V) CN als Additiv gelöst und die schleuderbeschichteten Filme wurden getempert bei 120 ℃ für 10 Min. PBDB-T:IE4F-S wurde im Verhältnis 1:1 (Gew./Gew.) in Chlorbenzol gelöst und der resultierende Film 10 Minuten lang bei 160 °C getempert.

Nur-Loch-, Nur-Elektronen- und Doppelträger-Bauelemente wurden auf Glassubstraten mit den jeweiligen Bauelementstrukturen Cr(1 nm)/Au(30 nm)/PEDOT:PSS(40 nm)/aktive Schicht/MoO3(10 nm) hergestellt )/Al(100 nm), Al(30 nm)/aktive Schicht/Ba(5 nm)/Al(100 nm) und Cr(1 nm)/Au(30 nm)/PEDOT:PSS(40 nm)/aktiv Schicht/Ba(5 nm)/Al(100 nm). Die Glassubstrate wurden zunächst mit Reinigungslösung und entionisiertem Wasser gereinigt, gefolgt von einer Ultraschallbehandlung in Aceton und Isopropylalkohol. Für Nur-Loch- und Doppelträger-Bauelemente wurden Cr und Au als untere Elektrode thermisch verdampft. Diese Metallelektroden wurden anstelle von Indium-Zinnoxid-Elektroden (ITO) verwendet, um den Effekt des Elektrodenserienwiderstands bei hohen Stromdichten zu reduzieren. Eine Lochinjektionsschicht aus PEDOT:PSS (VP Al4083, HC Starck) wurde durch Schleuderbeschichtung aufgetragen. Für Nur-Elektronen-Geräte wurden 30 nm Al als untere Elektrode thermisch verdampft. Bei allen Geräten wurden die oberen Elektroden durch thermisches Aufdampfen aufgebracht. Für unter Beleuchtung gemessene Solarzellen war die Gerätestruktur ITO/PEDOT:PSS/aktive Schicht/PDINO/Al (100 nm).

Alle elektrischen Messungen wurden in einer mit Stickstoff gefüllten Glovebox durchgeführt. Strom-Spannungs-Messungen wurden mit einem Quellenmessgerät Keithley 2400 durchgeführt. Die Schichtdicken wurden mit einem Bruker Dektak XT Profilometer gemessen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich. Als Hintergrundinformationen stehen Protokolldateien für Gaußsche Simulationen zur Verfügung.

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Labor für fortgeschrittene optoelektronische Materialien, Hochschule für Chemie, Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften, Soochow-Universität, Suzhou, 215123, China

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

Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Ackermannweg 10, 55128, Mainz, Deutschland

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

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YW und HF führten die Messungen durch und trugen zur Datenanalyse bei. YL und BvdZ trugen zur Datenanalyse bei. WL und AM führten Computersimulationen der molekularen Quadrupolmomente und der damit verbundenen Potentiale durch. HY führte die Synthese der Materialien durch. CC, YL, PWMB, DA und GAHW betreuten das Projekt. GAHW und DA haben die Experimente entworfen, das Manuskript geschrieben und zur Datenanalyse beigetragen. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Chaohua Cui oder Gert-Jan AH Wetzelaer.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Wu, Y., Li, Y., van der Zee, B. et al. Reduzierte bimolekulare Ladungsrekombination in effizienten organischen Solarzellen mit Nicht-Fulleren-Akzeptoren. Sci Rep 13, 4717 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31929-6

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Eingegangen: 16. Dezember 2022

Angenommen: 20. März 2023

Veröffentlicht: 22. März 2023

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

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