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Unraveling the Structure–Property–Performance Relationships of Fused-Ring Nonfullerene Acceptors: Toward a C-Shaped ortho-Benzodipyrrole-Based Acceptor for Highly Efficient Organic Photovoltaics

化学 接受者 有机太阳能电池 部分 侧链 戒指(化学) 能量转换效率 结晶学 立体化学 聚合物 光电子学 有机化学 材料科学 凝聚态物理 物理
作者
Yung-Jing Xue,Zhao-Rong Lai,Hongbo Lu,Ji-Yoon Hong,Chia‐Lin Tsai,Ching-Li Huang,Kuo-Hsiu Huang,Cheng-Hsien Lu,Yinchieh Lai,Chain‐Shu Hsu,Jhih‐Min Lin,Je‐Wei Chang,Su‐Ying Chien,Gene‐Hsiang Lee,U‐Ser Jeng,Yen‐Ju Cheng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.3c11062
摘要

The high-performance Y6-based nonfullerene acceptors (NFAs) feature a C-shaped A-DA'D-A-type molecular architecture with a central electron-deficient thiadiazole (Tz) A' unit. In this work, we designed and synthesized a new A-D-A-type NFA, termed CB16, having a C-shaped ortho-benzodipyrrole-based skeleton of Y6 but with the Tz unit eliminated. When processed with nonhalogenated xylene without using any additives, the binary PM6:CB16 devices display a remarkable power conversion efficiency (PCE) of 18.32% with a high open-circuit voltage (Voc) of 0.92 V, surpassing the performance of the corresponding Y6-based devices. In contrast, similarly synthesized SB16, featuring an S-shaped para-benzodipyrrole-based skeleton, yields a low PCE of 0.15% due to the strong side-chain aggregation of SB16. The C-shaped A-DNBND-A skeleton in CB16 and the Y6-series NFAs constitutes the essential structural foundation for achieving exceptional device performance. The central Tz moiety or other A' units can be employed to finely adjust intermolecular interactions. The single-crystal X-ray structure reveals that ortho-benzodipyrrole-embedded A-DNBND-A plays an important role in the formation of a 3D elliptical network packing for efficient charge transport. Solution structures of the PM6:NFAs detected by small- and wide-angle X-ray scattering (SWAXS) indicate that removing the Tz unit in the C-shaped skeleton could reduce the self-packing of CB16, thereby enhancing the complexing and networking with PM6 in the spin-coating solution and the subsequent device film. Elucidating the structure-property-performance relationships of A-DA'D-A-type NFAs in this work paves the way for the future development of structurally simplified A-D-A-type NFAs.
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