Fluorination‐Controlled Crystallization Kinetics in Donor Polymers for 20% Efficiency Organic Solar Cells

材料科学 成核 有机太阳能电池 聚合物 微尺度化学 三元运算 聚合物结晶 化学物理 结晶 聚合物太阳能电池 纳米尺度 离解(化学) 能量转换效率 化学工程 接受者 活动层 纳米技术 有机电子学 激子 动力学 分子动力学 光活性层 工作(物理) 相(物质) 混合太阳能电池 太阳能电池 电荷密度 聚合物混合物 自组装
作者
Zhibo Wang,Shenbo Zhu,Kangbo Sun,Yuqi Guo,Yaoyao Fiona Zhao,Wenzhao Xiong,Minghui Yu,G ZHANG,Huawei Hu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202530286
摘要

ABSTRACT Controlling the crystallization dynamics of polymer donors is essential for achieving high‐performance organic solar cells (OSCs). While polymers like PM6 and D18 possess excellent electronic properties, their inherently rapid aggregation during film formation often leads to insufficient nucleation sites and excessive microscale aggregation, which impede charge dissociation and lower device efficiency. To overcome this issue, we designed a series of polymer donors, PBT, PfBT, and PffBT, by systematically modulating the fluorination degree of the benzothiadiazole (BT) acceptor unit. Through combined theoretical and experimental investigations, we demonstrate that optimal fluorination, particularly in PfBT, fine‐tunes the average electrostatic potential and molecular polarizability, effectively regulating temperature‐dependent aggregation and prolonging nucleation behavior. This results in a higher density of nucleation sites, balanced crystallization, enhanced molecular packing, and improved nanoscale phase separation. These favorable morphological characteristics facilitate efficient exciton dissociation and suppress charge recombination. As a result, PfBT‐based ternary OSCs achieve a remarkable power conversion efficiency of 20.12%. This work not only establishes a clear structure–property relationship but also highlights rational molecular fluorination as an effective strategy for optimizing active layer morphology in high‐performance OSCs.
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