エネルギー科学：有機太陽電池における三重項励起子への電荷再結合の役割

有機太陽電池における非フラーレンアクセプター（NFA）の使用によって、最高18％という電力変換効率が実現されている。しかし、有機太陽電池はいまだに、電力変換効率が通常20％を超える無機太陽電池ほど効率的ではない。この差の主な理由は、有機太陽電池では、非放射再結合に起因して光学的バンドギャップに対して開回路電圧が低くなることにある。効率の観点から有機太陽電池が無機太陽電池と競い合うためには、非放射損失経路を特定して抑制しなければならない。今回我々は、NFAを用いる大半の有機太陽電池では、開回路条件下の電荷再結合の大部分が、非放射性NFA三重項励起子の形成を通して進むことを示す。基準であるPM6:Y6の混合において、この割合は90％に達し、開回路電圧を60 mV低下させた。我々は、NFA三重項励起子とスピン三重項電荷移動励起子の実質的な混成を操作することによって、この非放射性チャネルを介した再結合を防いだ。モデリングによって、スピン三重項電荷移動励起子から分子三重項励起子への逆電荷移動の割合が1桁減少する可能性があり、それによってスピン三重項電荷移動励起子の再解離が可能になることが示唆された。我々は、三重項励起子の形成が抑制されるNFA系を実証した。従って今回の結果から、電力変換効率が20％以上の有機太陽電池の設計経路が得られる。

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