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Unraveling Urbach Tail Effects in High-Performance Organic Photovoltaics: Dynamic vs Static Disorder
ACS Energy Letters ( IF 19.3 ) Pub Date : 2022-05-16 , DOI: 10.1021/acsenergylett.2c00816 Chujun Zhang 1 , Sudhi Mahadevan 2 , Jun Yuan 3 , Johnny Ka Wai Ho 1 , Yaxin Gao 1 , Wei Liu 3 , Hui Zhong 4 , He Yan 5 , Yingping Zou 3 , Sai-Wing Tsang 2 , Shu Kong So 1
ACS Energy Letters ( IF 19.3 ) Pub Date : 2022-05-16 , DOI: 10.1021/acsenergylett.2c00816 Chujun Zhang 1 , Sudhi Mahadevan 2 , Jun Yuan 3 , Johnny Ka Wai Ho 1 , Yaxin Gao 1 , Wei Liu 3 , Hui Zhong 4 , He Yan 5 , Yingping Zou 3 , Sai-Wing Tsang 2 , Shu Kong So 1
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The origin of Urbach energy (EU) in organic semiconductors and its effect on photovoltaic properties remain a topic of intense interest. In this letter, we demonstrate quantitative information on the EU value in emerging Y-series molecules by an in-depth analysis of the line shape of the temperature-dependent quantum efficiency spectra. We found that the static disorder (EU(0)), which is dominated by the conformational uniformity in Y-series acceptors, contributes 10–25 meV to the total Urbach energy. Particularly, this static contribution in organic solar cells (OSCs) is much higher than those (EU(0) ≈ 3–6 meV) in inorganic/hybrid counterparts, such as CH3NH3PbI3 perovskite, crystalline silicon (c-Si), gallium nitride (GaN), indium phosphide (InP), and gallium arsenide (GaAs). More importantly, we establish clear correlations between the static disorder and photovoltaic performance and open-circuit voltage loss. These results suggest that suppressing the static disorder via rational molecular design is clearly a path for achieving higher performance.
中文翻译：
揭示高性能有机光伏发电中的 Urbach 尾部效应：动态与静态无序
有机半导体中 Urbach 能量 ( E U )的起源及其对光伏特性的影响仍然是一个备受关注的话题。在这封信中，我们通过深入分析与温度相关的量子效率光谱的线形，展示了新兴 Y 系列分子中 EU 值的定量信息。我们发现由 Y 系列受体中的构象均匀性主导的静态无序 ( E U (0)) 为 Urbach 总能量贡献了 10-25 meV。特别是，有机太阳能电池 (OSC) 中的这种静态贡献远高于无机/混合电池 (例如 CH 3 ) 中的 ( E U (0) ≈ 3–6 meV)NH 3 PbI 3钙钛矿、晶体硅 (c-Si)、氮化镓 (GaN)、磷化铟 (InP) 和砷化镓 (GaAs)。更重要的是，我们在静态无序与光伏性能和开路电压损耗之间建立了明确的相关性。这些结果表明，通过合理的分子设计抑制静态无序显然是实现更高性能的途径。
更新日期：2022-05-16
中文翻译：
揭示高性能有机光伏发电中的 Urbach 尾部效应：动态与静态无序
有机半导体中 Urbach 能量 ( E U )的起源及其对光伏特性的影响仍然是一个备受关注的话题。在这封信中，我们通过深入分析与温度相关的量子效率光谱的线形，展示了新兴 Y 系列分子中 EU 值的定量信息。我们发现由 Y 系列受体中的构象均匀性主导的静态无序 ( E U (0)) 为 Urbach 总能量贡献了 10-25 meV。特别是，有机太阳能电池 (OSC) 中的这种静态贡献远高于无机/混合电池 (例如 CH 3 ) 中的 ( E U (0) ≈ 3–6 meV)NH 3 PbI 3钙钛矿、晶体硅 (c-Si)、氮化镓 (GaN)、磷化铟 (InP) 和砷化镓 (GaAs)。更重要的是，我们在静态无序与光伏性能和开路电压损耗之间建立了明确的相关性。这些结果表明，通过合理的分子设计抑制静态无序显然是实现更高性能的途径。
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