Photogénération de charge gratuite dans un semi-conducteur organique à haut rendement photovoltaïque à composant unique

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 2827 (2022) Citer cet article

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Le photovoltaïque organique (OPV) promet une énergie solaire bon marché et flexible. Alors que la lumière génère des charges libres dans les photovoltaïques au silicium, les excitons se forment normalement dans les semi-conducteurs organiques en raison de leurs faibles constantes diélectriques et nécessitent des hétérojonctions moléculaires pour se diviser en charges. Les OPV récents à efficacité record utilisent la petite molécule Y6 et ses analogues qui, contrairement aux semi-conducteurs organiques précédents, ont de faibles bandes interdites et des constantes diélectriques élevées. Nous montrons que, dans les films Y6, ces facteurs conduisent à une génération de charges libres intrinsèques sans hétérojonction. La spectroscopie dépendante de l'intensité révèle que 60 à 90 % des excitons forment des charges libres à une intensité lumineuse AM1,5. La recombinaison bimoléculaire et les pièges à trous contraignent les photovoltaïques Y6 à composant unique à de faibles rendements, mais la recombinaison est réduite par de petites quantités de donneur. Les calculs de chimie quantique révèlent un fort couplage entre les états exciton et CT, ainsi qu'un modèle de polarisation intermoléculaire qui entraîne la dissociation des excitons. Nos résultats remettent en question le fonctionnement des OPV actuels et renouvellent la possibilité d’OPV efficaces à un seul composant.

Lorsque la lumière est absorbée par des semi-conducteurs inorganiques, comme le silicium ou l'arséniure de gallium, une combinaison de charges libres et d'excitons (électrons et trous liés) est créée, et leur rapport dépend de la constante diélectrique du matériau. Pour les semi-conducteurs organiques, le paradigme soutient que seuls les excitons sont intrinsèquement photogénérés car la faible constante diélectrique1,2 de ces matériaux (ε ~ ​​3–4) signifie que l'interaction coulombienne des électrons et des trous n'est pas efficacement filtrée, conduisant à des excitons de Frenkel avec des énergies de liaison élevées. (EB). Au cours des trente dernières années3,4, cette contrainte a guidé le développement du photovoltaïque organique (OPV), qui promet un changement radical dans la production d'énergie solaire en solution flexible, légère et non toxique, mais qui n'est pas encore largement commercialisée. La division des excitons liés en charges libres a nécessité des hétérojonctions moléculaires nettes entre les matériaux donneurs et accepteurs. Plutôt que d'optimiser simplement la récupération de charge, les dispositifs OPV ont été optimisés pour la division des excitons aux interfaces et nécessitent des réseaux interpénétrés complexes de matériaux donneurs et accepteurs. L’approche par hétérojonction moléculaire limite l’efficacité des dispositifs5, introduit des pertes de tension et des instabilités inhérentes aux interfaces6 et complique les progrès de la recherche7. Des rapports ont déjà montré une certaine dissociation d'excitons assistée par champ et une formation de charges « extrinsèques » dans des homopolymères purs et de petites molécules8,9,10,11, ainsi qu'une formation significative d'états de transfert de charge (ou de paires de polarons) dans des « push- copolymères pull »et petites molécules12,13,14. Cependant, aucun matériau organique (jusqu'à présent) n'a présenté une formation substantielle, et encore moins majoritaire, de charges libres (plutôt que de paires de polarons) – qui subit une recombinaison bimoléculaire (plutôt que géminée).

Récemment, les accepteurs d'électrons à anneau fusionné (FREA) à petites molécules non fullerènes15,16,17,18,19,20,21 ont entraîné une augmentation rapide de l'efficacité de conversion de puissance (PCE) des OPV. Parallèlement à cette avancée, des observations inattendues ont été faites, à savoir : (1) Génération de charges libres sans barrière dans les mélanges PM6: Y622 (noms chimiques complets et structures présentés dans la Fig. 1 supplémentaire). (2) L’efficacité de génération de charge dans les mélanges de PM6:Y6 augmente avec l’intensité lumineuse incidente23. (3) Dans Y611,24 et IDIC25, les excitons sont délocalisés ou forment un état intermédiaire « intra-fragmentation » avec un caractère probable de transfert de charge (CT). Ces observations ont toutes été expliquées en invoquant des états CT. Cependant, avec des données supplémentaires, nous montrons ici qu'une explication plus approfondie est nécessaire.

Il a été récemment mesuré que les FREA avaient des indices de réfraction très élevés, et donc des constantes diélectriques complexes élevées. Parmi les FREA, Y6 et ses dérivés sont présents à la fois dans les OPV binaires et ternaires qui détiennent les PCE les plus élevés16,28,29,30.