Computation-Guided Placement of Nonfullerene Acceptor Core Halogenation for High-Performance Organic Solar Cells

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作者
Yao Chen,Hongliang Lei,Seunglok Lee,Peihao Huang,Gengsui Tian,Lei Liu,Tianyu Zeng,Changduk Yang,Tainan Duan,Huanyu Zhou,Zeyun Xiao,Tobin J. Marks,Antonio Facchetti
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (1): 723-733 被引量:11
标识
DOI:10.1021/jacs.5c16058
摘要

High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide The strategic molecular design of nonfullerene acceptors (NFAs) plays a crucial role in enhancing the efficiency of organic solar cells (OSCs). Here, working from first-principles theoretical computation, we report a new series of quinoxaline-based NFAs ( Qx-PhHal, where Hal = F, Cl, or Br) with varying halogen substitution on the central acceptor core of the molecules to investigate their impact on OSC performance. Notably, OSCs incorporating the brominated NFA demonstrate a significantly higher power conversion efficiency (PCE = 17.58%) than those with fluorinated or chlorinated NFAs (∼14%). Theoretical and experimental analyses reveal that bromination enhances electrostatic interactions, donor–acceptor miscibility, crystallinity, and fibrillar film morphology versus the other halogenated NFAs, thereby enhancing exciton dissociation efficiency, more balanced hole/electron mobility, and reduced exciton recombination rates in the corresponding OSCs. Additionally, ternary solar cells incorporating the brominated NFA as the third component achieve a very high PCE of 20.14%. These findings provide valuable insights into the molecular design of future high-performance NFAs for OSC applications.
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