単一コンポーネントでの光起電効率の高い有機半導体による自由電荷光生成

Nature Communications volume 13、記事番号: 2827 (2022) この記事を引用

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有機太陽光発電 (OPV) は、安価で柔軟な太陽エネルギーを約束します。 シリコン太陽光発電では光が自由電荷を生成しますが、有機半導体では誘電率が低いため通常、励起子が形成され、電荷に分割するには分子ヘテロ接合が必要です。 最近の記録的な効率の OPV は、以前の有機半導体とは異なり、バンドギャップが低く、誘電率が高い小分子 Y6 とその類似体を利用しています。 我々は、Y6 フィルムでは、これらの要因がヘテロ接合のない固有の自由電荷の生成につながることを示します。 強度依存分光法により、励起子の 60 ～ 90% が AM1.5 の光強度で自由電荷を形成することが明らかになりました。 二分子の再結合とホールトラップにより、単一成分の Y6 太陽光発電の効率が低く抑えられますが、再結合は少量のドナーによって減少します。 量子化学計算により、励起子と CT 状態の間の強い結合と、励起子の解離を引き起こす分子間分極パターンが明らかになりました。 私たちの結果は、現在の OPV がどのように動作するかに疑問を投げかけ、効率的な単一コンポーネント OPV の可能性を新たにします。

光がシリコンやガリウムヒ素などの無機半導体に吸収されると、自由電荷と励起子（結合電子と正孔）の組み合わせが生成され、その比率は材料の誘電率によって決まります。 有機半導体の場合、パラダイムでは励起子のみが本質的に光生成されると考えられています。これは、これらの材料の誘電率 1,2 が低い (ε ~ 3-4) ため、電子と正孔のクーロン相互作用が効率的に遮蔽されず、高い結合エネルギーを持つフレンケル励起子が生成されるためです。 (EB)。 過去 30 年間 3,4 にわたり、この制約が有機太陽光発電 (OPV) の開発を導いてきました。有機太陽光発電 (OPV) は、柔軟で軽量、無毒な溶液処理による太陽エネルギー生産の大きな変化を約束しますが、まだ広く商業化されていません。 結合した励起子を自由電荷に分割するには、ドナー材料とアクセプター材料の間に鋭い分子ヘテロ接合が必要でした。 OPV デバイスは、電荷収集を純粋に最適化するのではなく、界面での励起子分裂のために最適化されており、ドナー材料とアクセプタ材料の複雑な相互貫入ネットワークを必要とします。 分子ヘテロ接合アプローチはデバイスの効率を制限し 5、固有の電圧損失と界面からの不安定性をもたらし 6、研究の進歩を複雑にします 7。 これまでの報告では、場を利用した励起子の解離や、純粋なホモポリマーや小分子における「外部」電荷の形成、および純粋な「プッシュ」状態における顕著な電荷移動（またはポーラロン対）状態の形成が示されています。プル」コポリマーと小分子12、13、14。 しかし、（これまで）有機材料は、（ポーラロンペアではなく）大部分どころか、実質的な自由電荷形成（ジェミネートではなく）二分子再結合を示したものはありません。

最近、小分子非フラーレン縮合環電子受容体 (FREA) 15、16、17、18、19、20、21 により、OPV の電力変換効率 (PCE) が急速に向上しました。 この進歩に加えて、予期せぬ観察が生じた。すなわち、(1) PM6:Y6 ブレンドにおけるバリアレスの自由電荷生成 22 (完全な化学名と構造を補足図 1 に示す)。 (2) PM6:Y6 のブレンドにおける電荷生成効率は、入射光強度の増加とともに増加します 23。 (3) Y611,24 および IDIC25 では、励起子は非局在化しているか、電荷移動 (CT) のような性質を持つ「部分内」中間状態を形成しています。 これらの観察はすべて CT 状態を援用することで説明されていますが、追加のデータを使用して、より深い説明が必要であることをここで示します。

最近、FREA は非常に高い屈折率 26,27 を持ち、したがって複素誘電率も高いことが測定されました。 FREA のうち、Y6 とその誘導体は、最も高い PCE を保持するバイナリ OPV とターナリ OPV の両方に存在します 16、28、29、30。