Medium Bandgap Nonfullerene Acceptor for Efficient Ternary Polymer Solar Cells with High Open-Circuit Voltage

材料科学 轨道能级差 三元运算 带隙 接受者 开路电压 光电子学 能量转换效率 吸收(声学) 电压 化学 分子 电气工程 有机化学 物理 计算机科学 工程类 程序设计语言 复合材料 凝聚态物理
作者
М. Л. Кештов,Alexei R. Khokhlov,Dimitriy Y. Shikin,В. Г. Алексеев,Giriraj Chayal,Hemraj Dahiya,Manish Kumar Singh,Fang‐Chung Chen,Ganesh D. Sharma
出处
期刊:ACS omega [American Chemical Society]
卷期号:8 (2): 1989-2000
标识
DOI:10.1021/acsomega.2c05141
摘要

We have designed a new medium bandgap non-fullerene small-molecule acceptor consisting of an IDT donor core flanked with 2-(6-oxo-5,6-dihydro-4H-cyclopenta[c]-thiophene-4-ylidene) malononitrile (TC) acceptor terminal groups (IDT-TC) and compared its optical and electrochemical properties with the IDT-IC acceptor. IDT-TC showed an absorption profile from 300 to 760 nm, and it has an optical bandgap of 1.65 eV and HOMO and LUMO energy levels of -5.55 and -3.83 eV, respectively. In contrast to IDT-IC, IDT-TC has an upshifted LUMO energy level, which is advantageous for achieving high open-circuit voltage. Moreover, IDT-TC showed higher crystallinity and high electron mobility than IDT-IC. Using a wide bandgap D-A copolymer P as the donor, we compared the photovoltaic performance of IDT-TC, IDT-IC, and IDT-IC-Cl nonfullerene acceptors (NFAs). Polymer solar cells (PSCs) using P: IDT-TC, P: IDT-IC, and P:IDT-IC-Cl active layers achieved a power conversion efficiency (PCE) of 14.26, 11.56, and 13.34%, respectively. As the absorption profiles of IDT-IC-Cl and IDT-TC are complementary to each other, we have incorporated IDT-TC as the guest acceptor in the P: IDT-IC-Cl active layer to fabricate the ternary (P:IDT-TC: IDT-IC-Cl) PSC, demonstrating a PCE of 16.44%, which is significantly higher than that of the binary BHJ devices. The improvement in PCE for ternary PSCs is attributed to the efficient exploitation of excitons via energy transfer from IDT-TC to IDT-IC-Cl, suitable nanoscale phase separation, compact stacking distance, and more evenly distributed charge transport.
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