Enhanced hindrance from phenyl outer side chains on nonfullerene acceptor enables unprecedented simultaneous enhancement in organic solar cell performances with 16.7% efficiency

材料科学 有机太阳能电池 副晶态 轨道能级差 侧链 接受者 位阻效应 化学工程 光电子学 光化学 电子受体 有机化学 结晶学 复合材料 聚合物 分子 化学 工程类 物理 凝聚态物理
作者
Gaoda Chai,Yuan Chang,Zhengxing Peng,Yanyan Jia,Xinhui Zou,Dian Yu,Han Yu,Yuzhong Chen,Philip C. Y. Chow,Kam Sing Wong,Jianquan Zhang,Harald Ade,Liwei Yang,Chuanlang Zhan
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:76: 105087-105087 被引量:110
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105087
摘要

Inner side-chain engineering on Y6 has been proven successful in improving short-circuit current density (JSC) through fine-tuning aggregated structures of acceptors. However, it fails in tuning the lowest unoccupied molecular orbital level (LUMO) and open-circuit voltage (VOC). In this paper, we turn to focus on engineering the outer side chains on the flanking thienothiophene units with 4-hexylphenyl (PhC6) and 6-phenylhexyl (C6Ph) chains. Use of PhC6 enhances the steric effect between the attached phenyl and the ending group, which in combination with the additional conjugation effect provided by the linking phenyl leads to upshifted energy levels and increased VOC as a result. Again, substitution with the bulkier PhC6 unprecedentedly improves film-morphology with reduced paracrystalline disorder and long period and increased root-mean-square composition variations as well, leading to increased electron and hole mobilities and suppressed monomolecular recombination with JSC and fill-factor (FF) simultaneously enhanced. The PM6:BTP-PhC6-based devices yield a higher efficiency value of 16.7% than the PM6:BTP-C6Ph-based one (15.5%). Therefore, this study shows a conceptual advance in materials design towards reducing the conflict between VOC and JSC in binary blended organic solar cells, which can be achieved by introducing bulkier chains to twist the backbone and simultaneously enhance the packing order.
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