小さな再組織化エネルギーアクセプターにより、非磁性体におけるエネルギー損失を低く抑えることができます。

Nature Communications volume 13、記事番号: 3256 (2022) この記事を引用

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2 オルトメトリック

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有機太陽電池の高性能化を追求するには、エネルギー損失を最小限に抑えることが非常に重要です。 興味深いことに、再組織化エネルギーは光電変換プロセスにおいて重要な役割を果たします。 しかし、再組織化エネルギーとエネルギー損失の関係についての理解はほとんど研究されていません。 ここでは、2 つのアクセプター、Qx-1 および Qx-2 が開発されました。 光電変換プロセス中のこれら 2 つのアクセプタの再構成エネルギーは、従来の Y6 アクセプタよりも大幅に小さいため、励起子の寿命と拡散長の向上、電荷輸送の促進、励起子の解離と非発光再結合に起因するエネルギー損失の低減に有益です。 。 したがって、PM6:Qx-2 ブレンドでは、0.93 V を超える高い開路電圧で 18.2% という高い効率が得られ、エネルギー損失は 0.48 eV と大幅に減少します。 この研究は、エネルギー損失を小さくする上での再組織化エネルギーの重要性を強調し、高性能有機太陽電池を得る道を開くものである。

近年、有機太陽電池（OSC）は、軽量で溶液加工可能であり、大面積で半透明のフレキシブル薄膜デバイスを低コストで作製できるため、広く注目を集めています1、2、3、4、5。 材料設計とデバイスの最適化における多大な努力のおかげで、Y6 非フラーレンアクセプター (NFA) に基づく OSC の電力変換効率 (PCE) は、バイナリデバイスで 18%、ターナリおよびタンデムデバイスで 20% に達しました。デバイス10、11、12、13。 それにもかかわらず、無機太陽電池やペロブスカイト太陽電池と比較すると、エネルギー損失が比較的大きいため、OSC の太陽光発電性能は依然として遅れをとっています 14、15、16、17。 現在、ほとんどの高性能 OSC の開回路電圧 (VOC) は依然として 0.8 ～ 0.9 V に制限されており 18,19、エネルギー損失は一般に 0.5 eV より大きくなっています 20,21,22。 したがって、OSC の効率をさらに向上させるには、エネルギー損失の原因を洞察し、合理的な分子設計によってエネルギー損失をさらに削減する必要があります。

一般に、OSC でのエネルギー損失は主に 2 つの側面、つまり励起子解離の駆動力と非発光再結合によって発生します。 したがって、エネルギー損失を削減するために多くの戦略が提案されています。 分子パッキングを調節して励起子結合エネルギーを低減し、励起子の解離に必要な駆動力を最小限に抑えるか、励起子崩壊、電荷移動などの光電変換プロセス中の非発光再結合を抑制するかのいずれかです。 (CT) 状態の崩壊と非発生 (二分子) 組換え 22,26,27,28。 これらの非放射性再結合はすべて、電子と振動の結合 (つまり、再組織化エネルギー λ、電子移動プロセスの過程での分子幾何学的形状の変形を記述し、電子と分子内振動の間の相互作用を反映する) に関連しています。 さらに、古典的なマーカス電子移動理論によれば (\({k}_{{{{{{\rm{ET}}}}}}}={V}_{{{{{{\rm{if }}}}}}}^{2}\sqrt{\tfrac{{{{{{\rm{\pi }}}}}}}{{{\lambda }k}_{{{{{{\ rm{B}}}}}}}{{{{{{\rm{T}}}}}}\hslash }^{2}}}\,{{\exp }}\left[-\tfrac{ {\left(\triangle G+{\lambda }\right)}^{2}}{{4{\lambda }k}_{{{{{{\rm{B}}}}}}T}\右] \)、ここで、λ は再組織化エネルギー、V は初期状態と最終状態の間の電子結合を表し、ΔG は自由エネルギー変化です)29、再組織化エネルギーが小さいと、励起子の解離に必要な駆動力の低減が促進されます。 したがって、再組織化エネルギーは、OSC の光電変換とエネルギー損失プロセスにおいて重要な役割を果たします。

この研究では、分子骨格として Y 型 NFA に基づいて、ベンゾチアジアゾール (BTZ) 融合コアをキノキサリン (Qx) 融合コアに置き換えることにより、2 つの低分子アクセプター、Qx-1 および Qx-2 が得られました。設計および合成されました（図1a、およびそれらの正式名は補足に記載されています）。 歴史的に、Qx とその誘導体は、弱い電子欠乏特性、剛直な平面構造、化学修飾の容易さ、物理的および化学的特性を適切に制御できる複数の置換位置など、さまざまな利点を実証してきました 30,31,32,33,34 、35。 私たちの計算と実験の結果、これら 2 つのアクセプターの光電変換プロセス中の再組織化エネルギーは Y6 アクセプターよりも大幅に小さく、励起子の寿命と拡散長の向上、電荷輸送の促進、電荷の再結合の抑制に有益であることが明らかになりました。 その結果、Qx-1 システムと Qx-2 システムでそれぞれ 0.508 eV と 0.482 eV という大幅なエネルギー損失の削減が達成され、両方のブレンドの VOC が PM6 で 0.9 V 以上に効果的に達することが可能になりました (ポリマー供与体は補足に示されています)。図 1) ドナーとして。 したがって、PM6:Qx-2 ブレンドでは 18.2% という高い PCE が、0.934 V の高い VOC、26.5 mA cm-2 の JSC、および 73.7% の曲線因子 (FF) で得られます。 私たちの知る限り、得られたエネルギー損失は、これまでに報告されている PCE が 17% を超えるバイナリ OSC で最小です。 したがって、この研究は、有機活性材料において小さなエネルギー損失を達成する上での再組織化エネルギーの重要性を強調し、高性能OSCを得る道を開くものである。