Sub-picosecond charge-transfer at near-zero driving force in polymer:non-fullerene acceptor blends and bilayers

化学物理 富勒烯 材料科学 接受者 皮秒 有机太阳能电池 电荷(物理) 电压 激子 分子物理学 聚合物 光电子学 凝聚态物理 化学 物理 光学 激光器 有机化学 量子力学 复合材料
作者
Yufei Zhong,Martina Causa’,Gareth John Moore,Philipp Krauspe,Bo Xiao,Florian Günther,Jonas Kublitski,Rishi Shivhare,Johannes Benduhn,Eyal Bar-Or,S. Mukherjee,Kaila M. Yallum,Julien Réhault,Stefan C. B. Mannsfeld,Dieter Neher,Lee J. Richter,Dean M. DeLongchamp,Frank Ortmann,Koen Vandewal,Erjun Zhou,Natalie Banerji
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:11 (1) 被引量:152
标识
DOI:10.1038/s41467-020-14549-w
摘要

Abstract Organic photovoltaics based on non-fullerene acceptors (NFAs) show record efficiency of 16 to 17% and increased photovoltage owing to the low driving force for interfacial charge-transfer. However, the low driving force potentially slows down charge generation, leading to a tradeoff between voltage and current. Here, we disentangle the intrinsic charge-transfer rates from morphology-dependent exciton diffusion for a series of polymer:NFA systems. Moreover, we establish the influence of the interfacial energetics on the electron and hole transfer rates separately. We demonstrate that charge-transfer timescales remain at a few hundred femtoseconds even at near-zero driving force, which is consistent with the rates predicted by Marcus theory in the normal region, at moderate electronic coupling and at low re-organization energy. Thus, in the design of highly efficient devices, the energy offset at the donor:acceptor interface can be minimized without jeopardizing the charge-transfer rate and without concerns about a current-voltage tradeoff.
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