Improving Molecular Arrangement and Alleviating Nonradiative Energy Loss Using a Chlorinated Pyrido[3,4‐b]Quinoxaline‐Core‐Based Acceptor for High‐Performance Organic Solar Cells

喹喔啉 材料科学 接受者 有机太阳能电池 芯(光纤) 光化学 光电子学 有机化学 复合材料 凝聚态物理 聚合物 化学 物理
作者
Tian Han,Yongmin Luo,Zhanxiang Chen,Tongle Xu,Ruijie Ma,Jiaying Wu,Gang Li,Chuluo Yang,Zhenghui Luo
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aenm.202404537
摘要

Abstract The electron‐deficient A 1 unit in A‐DA 1 D‐A structured acceptors is critical for optimizing the efficiency of organic solar cells (OSCs). Drawing inspiration from the high performance of the previously reported pyrido[2,3‐ b ]quinoxaline‐core acceptors, Py6, an isomer of Py1 is designed with a repositioned pyridine nitrogen atom, and further modified it by chlorinating Py6 to create Py7. Theoretical calculations show that chlorine incorporation strengthens intermolecular non‐covalent interactions and promotes the tighter molecular stacking, as confirmed by grazing‐incidence wide‐angle X‐ray scattering. Consequently, D18/Py7 device delivers the enhanced fill factor and short‐circuit current density, compared to D18/Py1 and D18/Py6 device. Notably, D18/Py7 device also yields a higher open‐circuit voltage of 0.871 V, significantly outperforming Py1 (0.764 V) and Py6 (0.723 V), due to the low nonradiative energy losses. Further studies reveal that introducing Cl directs hole density toward the central pyrido[3,4‐ b ]quinoxaline unit and decreases the charge transfer state ratio of D18/acceptor. This prompts triplet‐to‐singlet conversion and reduces non‐radiative recombination losses. Additionally, using a mutual donor–acceptor dilution strategy, the (D18:1wt.% Py7)/(Py7:1wt.% D18) device achieves an impressive efficiency of 19.60%. This work emphasizes the great potential of the Py‐series acceptors and demonstrates that chlorine incorporation effectively reduces non‐radiative losses.
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