Recombinación de carga en dispositivos fotovoltaicos orgánicos con altas tensiones de circuito abierto

Área de la Ciencia:

• Ciencia de los materiales Ciencia de los materiales.
• Química Física es la química física.
• Electrónica orgánica y electrónica orgánica.

Sus antecedentes:

• Los dispositivos orgánicos fotovoltaicos (OPV) ofrecen una alternativa prometedora a las células solares basadas en silicio debido a su flexibilidad y bajos costos de fabricación.
• El alto voltaje de circuito abierto (Voc) en los OPV es deseable para una conversión de energía eficiente, pero comprender las limitaciones de rendimiento es crucial.
• Las vías de recombinación de carga tienen un impacto significativo en la eficiencia general de los dispositivos OPV.

Objetivo del estudio:

• Para aclarar el mecanismo detallado de recombinación de carga en dispositivos fotovoltaicos orgánicos que exhiben una alta tensión de circuito abierto.
• Para identificar el proceso primario que limita el rendimiento en los OPV basados en copolímero de polifluoreno de mezcla binaria.
• Proporcionar conocimientos para el diseño de materiales fotovoltaicos orgánicos de próxima generación con una mayor eficiencia.

Principales métodos:

• Se utilizó la espectroscopia óptica de absorción transitorio (TA) con sondas visibles e infrarrojas.
• Logró una alta resolución de tiempo que abarca más de siete décadas.
• Empleó espectroscopia TA con resolución de polarización para rastrear el movimiento del estado polarónico en el tiempo y el espacio.

Principales resultados:

• Identificó la recombinación eficiente de pares de cargas fuertemente unidos en excitones triplet neutros como el proceso que limita el rendimiento.
• Demostró una notable inmovilidad de los pares de cargas fotogeneradas en la heterounión.
• Cuantificó que el 75% de los pares de cargas se descomponen en excitones triplet a través del cruce intersistémico dentro de aproximadamente 40 ns.
• Se observó que la formación de excitones triplet es termodinámicamente accesible en las células solares poliméricas de alto Voc.

Conclusiones:

• El mecanismo de pérdida dominante en estos OPV de alta Voc es la recombinación de pares de cargas interfaciales en excitones triplet.
• El cruce entre sistemas y la posterior formación de excitones triplet son significativos para los pares de cargas que no se someten a la separación de cargas de largo alcance.
• El diseño de materiales OPV que faciliten la separación de cargas dentro de 40 ns es fundamental para mejorar el rendimiento del dispositivo.