Ultrafast Kinetics of Chlorinated Polymer Donors: A Faster Excitonic Dissociation Path

材料科学 聚合物 离解(化学) 堆积 激子 光化学 卤素 聚合物太阳能电池 能量转换效率 接受者 光电子学 化学物理 物理化学 有机化学 化学 烷基 复合材料 物理 量子力学 凝聚态物理
作者
Lihe Yan,Zezhou Liang,Jinhai Si,Pingping Gong,Yufei Wang,Xingpeng Liu,Junfeng Tong,Jianfeng Li,Xun Hou
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (5): 6945-6957 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acsami.1c24348
摘要

Halogen-substituted donor/acceptor materials are widely regarded as a promising strategy toward improved power-conversion efficiencies (PCEs) in polymer solar cells (PSCs). A chlorinated polymer donor, PClBTA-PS, and its non-chlorinated analogue, PBTA-PS, are synthesized. The PClBTA-PS-based devices show significant enhancements in terms of open-circuit voltage (VOC = 0.82 V) and fill factor (FF = 76.20%). In addition, a PCE of 13.20% is obtained, which is significantly higher than that for the PBTA-PS-based devices (PCE = 7.63%). Grazing incident wide-angle X-ray scattering shows that the chlorinated polymer enables better π-π stacking in both pure and blend films. DFT and TD-DFT calculations as well as ultrafast photophysics measurements indicate that chlorinated PClBTA-PS has a smaller bonding energy and a longer spontaneous-emission lifetime. The results also reveal that the charge-transfer-state excitons in PClBTA-PS:IT4Cl blend films split into the charge-separated (CS) state via a faster dissociation path, which produces a higher yield of the CS state. Overall, this study provides a deeper understanding of how a halogen-substituted polymer can improve PSCs in the future.
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