Fotogenerazione a carica gratuita in un semiconduttore organico monocomponente ad alta efficienza fotovoltaica

Nature Communications volume 13, numero articolo: 2827 (2022) Citare questo articolo

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Il fotovoltaico organico (OPV) promette energia solare economica e flessibile. Mentre la luce genera cariche libere nel fotovoltaico al silicio, gli eccitoni si formano normalmente nei semiconduttori organici a causa della loro bassa costante dielettrica e richiedono eterogiunzioni molecolari per dividersi in cariche. I recenti OPV con efficienza record utilizzano la piccola molecola Y6 e i suoi analoghi che, a differenza dei precedenti semiconduttori organici, hanno bande proibite basse e costanti dielettriche elevate. Mostriamo che, nei film Y6, questi fattori portano alla generazione di carica libera intrinseca senza eterogiunzione. La spettroscopia intensità-dipendente rivela che il 60-90% degli eccitoni forma cariche libere a un'intensità luminosa AM1,5. La ricombinazione bimolecolare e le trappole dei buchi costringono il fotovoltaico Y6 a componente singolo a basse efficienze, ma la ricombinazione è ridotta da piccole quantità di donatore. I calcoli quantistici rivelano un forte accoppiamento tra gli stati degli eccitoni e quelli CT e un modello di polarizzazione intermolecolare che guida la dissociazione degli eccitoni. I nostri risultati mettono in discussione il modo in cui funzionano gli attuali OPV e rinnovano la possibilità di efficienti OPV monocomponente.

Quando la luce viene assorbita da semiconduttori inorganici, come il silicio o l'arseniuro di gallio, viene creata una combinazione di cariche libere ed eccitoni (elettroni e lacune legati) e il loro rapporto dipende dalla costante dielettrica del materiale. Per i semiconduttori organici, il paradigma sostiene che solo gli eccitoni sono intrinsecamente fotogenerati perché la bassa costante dielettrica1,2 di questi materiali (ε ~ ​​3–4) significa che l'interazione coulombiana tra elettrone e lacuna non è schermata in modo efficiente, portando a eccitoni di Frenkel con elevate energie di legame (EB). Negli ultimi trent’anni3,4, questo vincolo ha guidato lo sviluppo del fotovoltaico organico (OPV), che promette un cambio di passo nella produzione di energia solare flessibile, leggera e non tossica, ma deve ancora essere ampiamente commercializzato. La suddivisione degli eccitoni legati in cariche libere ha richiesto nette eterogiunzioni molecolari tra i materiali donatori e accettori. Piuttosto che ottimizzare semplicemente la raccolta della carica, i dispositivi OPV sono stati ottimizzati per la divisione degli eccitoni alle interfacce e richiedono complesse reti interpenetranti di materiali donatori e accettori. L'approccio dell'eterogiunzione molecolare limita l'efficienza dei dispositivi5, introduce perdite di tensione e instabilità intrinseche dalle interfacce6 e complica il progresso della ricerca7. I rapporti hanno precedentemente mostrato una certa dissociazione degli eccitoni assistita dal campo e la formazione di carica "estrinseca" in omopolimeri puri e piccole molecole8,9,10,11, nonché una significativa formazione di stati di trasferimento di carica (o coppia di polaroni) in "push-" puliti pull” copolimeri e piccole molecole12,13,14. Tuttavia nessun materiale organico (fino ad ora) ha mostrato una formazione sostanziale, per non parlare di una maggioranza, di carica libera (piuttosto che di coppia di polaroni), che subisce una ricombinazione bimolecolare (piuttosto che geminata).

Recentemente, gli accettori di elettroni ad anello fuso (FREA) di piccole molecole non fullerenici15,16,17,18,19,20,21 hanno determinato un rapido aumento dell'efficienza di conversione di potenza (PCE) degli OPV. Accanto a questo progresso sono emerse osservazioni inaspettate, vale a dire: (1) Generazione di carica libera senza barriere nelle miscele PM6:Y622 (nomi chimici completi e strutture mostrate nella Figura 1 supplementare). (2) L'efficienza della generazione di carica nelle miscele di PM6:Y6 aumenta con l'aumentare dell'intensità della luce incidente23. (3) In Y611,24 e IDIC25, gli eccitoni sono delocalizzati o formano uno stato intermedio "intra-gruppo" con probabile carattere simile al trasferimento di carica (CT). Tutte queste osservazioni sono state spiegate invocando gli stati CT, tuttavia, con dati aggiuntivi, mostriamo qui che è necessaria una spiegazione più profonda.

Recentemente è stato misurato che i FREA hanno indici di rifrazione molto elevati26,27 e quindi costanti dielettriche complesse elevate. Dei FREA, Y6 e i suoi derivati ​​sono presenti sia negli OPV binari che ternari che detengono i PCE più alti16,28,29,30.