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Jul 25, 2023

비를 포함하는 효율적인 유기 태양 전지에서 감소된 이분자 전하 재결합

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4717(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

이분자 전하 재결합은 유기 태양전지에서 가장 중요한 손실 과정 중 하나입니다. 그러나 새로운 비풀러렌 수용체를 기반으로 한 태양전지의 이분자 재조합 속도는 대부분 불분명합니다. 더욱이, 일반적으로 벌크 이종접합 태양전지에서 감소된 랑주빈 재결합 속도의 기원은 아직까지 잘 알려져 있지 않다. 여기에서는 비풀러렌 수용체를 기반으로 한 일련의 고성능 유기 태양 전지에서 이분자 재조합 속도와 전하 수송을 조사합니다. 정상 상태 암흑 주입 측정과 조명 하 전류-전압 특성의 드리프트-확산 시뮬레이션을 통해 최대 2배 이상의 Langevin 감소 계수가 관찰됩니다. 감소된 재결합은 이러한 태양전지의 높은 충전율을 위해 필수적입니다. Langevin 감소 인자는 공여자-수용체 경계면에서 밴드 굽힘을 담당하는 수용체의 4중극자 모멘트와 상관관계가 있는 것으로 관찰되어 전하 재결합에 대한 장벽을 형성합니다. 따라서 전반적으로 이러한 결과는 억제된 이분자 재조합이 유기 태양전지의 성능에 필수적이며 새로운 재료에 대한 설계 규칙을 제공한다는 것을 보여줍니다.

최근 비풀러렌 수용체의 개발로 인해 유기 태양전지의 전력 변환 효율 향상이 가속화되었습니다1,2,3. 그 결과, 단일 접합 유기 태양전지의 효율은 18%에 이르렀습니다4,5. 최근 기존의 풀러렌에서 비풀러렌 수용체로의 전환은 에너지 수준을 조정하는 데 더 많은 유연성을 제공할 뿐만 아니라 도너 폴리머의 보완적인 흡수 스펙트럼을 실현할 수 있는 이점을 제공했습니다1,6. 풀러렌이 아닌 수용체로 구성된 유기 태양전지의 효율성에서는 큰 진전이 있었지만, 이러한 수용체가 왜 그렇게 잘 작동하는지 완전히 이해되지 않았습니다. ,18,19. 특히, 이분자 재조합 속도는 이러한 태양전지에서 드물게 조사되었습니다. 비쌍생성 재결합은 태양전지의 충전율(fill Factor)과 개방 회로 전압(25) 및 이에 따른 전력 변환 효율에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다. 저이동도 반도체의 이분자 재결합은 상호 쿨롱 장에서 서로 반대로 하전된 캐리어의 확산을 기반으로 하는 Langevin 메커니즘을 밀접하게 따르지만 효율적인 유기 벌크-이종 접합 태양 전지의 이분자 재결합 속도는 다음과 같습니다. 전하 캐리어의 이동성을 기반으로 예측된 ​​Langevin 속도보다 낮은 크기입니다. 다음과 같이 감소된 Langevin 재조합 속도를 설명할 수 있습니다.

여기서 \(\gamma \)는 랑주뱅 감소 인자, q는 기본 전하, ε은 물질의 유전율, \({\mu }_{n}\) 및 \({\mu }_{ p}\)는 각각 전자와 정공의 이동도입니다. \({10}^{-3}\)29보다 낮은 값을 가질 수 있는 Langevin 감소 인자의 기원은 완전히 이해되지 않았지만, sub-Langevin 재조합은 고성능 유기 태양광을 달성하는 데 가장 중요합니다. 세포. 불균형 이동성과 결합된 벌크 이종접합에서의 상 분리는 고전적인 Langevin 재조합에서 약간의 편차를 초래할 수 있지만 이는 Langevin 재조합 계수에서 자주 관찰되는 큰 편차를 설명하기에는 충분하지 않습니다. 감소된 Langevin 재조합은 공여체-수용체 인터페이스31,32,33에서 전하 이동 엑시톤의 향상된 해리와 연결되어 있지만 향상된 CT 상태 해리 속도 자체의 기원은 간단하지 않습니다. 향상된 CT 해리는 에너지 장애가 있는 더 큰 퍼콜레이션31, 공여자-수용체 혼합의 순수 단계와 혼합 단계 사이의 에너지 폭포와 관련이 있습니다38,39. 장치 성능의 주요 결정 요인이기 때문에 유기 태양 전지에서 Langevin 재조합 감소의 원인을 이해하는 것이 중요합니다.