Fine-tuning of the chemical structure of photoactive materials for highly efficient organic photovoltaics

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作者
Baobing Fan,Xiaoyan Du,Feng Liu,Wenkai Zhong,Lei Ying,Ruihao Xie,Xiaofeng Tang,Kang An,Jingming Xin,Ning Li,Wei Ma,Christoph J. Brabec,Fei Huang,Yong Cao
出处
期刊:Nature Energy [Springer Nature]
卷期号:3 (12): 1051-1058 被引量:322
标识
DOI:10.1038/s41560-018-0263-4
摘要

The performance of organic photovoltaics is largely dependent on the balance of short-circuit current density (JSC) and open-circuit voltage (VOC). For instance, the reduction of the active materials’ optical bandgap, which increases the JSC, would inevitably lead to a concomitant reduction in VOC. Here, we demonstrate that careful tuning of the chemical structure of photoactive materials can enhance both JSC and VOC simultaneously. Non-fullerene organic photovoltaics based on a well-matched materials combination exhibit a certified high power conversion efficiency of 12.25% on a device area of 1 cm2. By combining Fourier-transform photocurrent spectroscopy and electroluminescence, we show the existence of a low but non-negligible charge transfer state as the possible origin of VOC loss. This study highlights that the reduction of the bandgap to improve the efficiency requires a careful materials design to minimize non-radiative VOC losses. Materials design rules play a key role in enabling high performance in organic photovoltaics. Here the authors achieve 12.25% efficiency on 1 cm2 non-fullerene solar cells by tuning the side chains’ branching point and the fluorine substitutions in donor and acceptor materials.
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