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Cleaving Fused-Ring Conjugated Structure and Introducing Aggregation-Induced Emission Effect Enable over 20% Efficiency Organic Solar Cells

化学 堆积 三元运算 共轭体系 有机太阳能电池 分子 聚集诱导发射 调制(音乐) 小分子 二进制数 纳米技术 聚合物太阳能电池 电荷(物理) 载流子 能量转换效率 光电子学 简单(哲学) 有机分子
作者
Sheng Ge,Jiawei Ru,Qing Guo,Jinge Zhu,Yu Qi,Zongtao Wang,Tingting Dai,Xiaohong Zhao,Zhongyi Yuan,Erjing Wang,Yue Wang,Bailin Tao,Zhihong Xu,Bo Xiao,Zaifang Li,Mengzhen Du,Erjun Zhou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (20): 20422-20433 被引量:13
标识
DOI:10.1021/jacs.5c22943
摘要

How to reduce energy loss by enhancing the photoluminescence quantum yield (PLQY) is currently one big bottleneck to further increase the open-circuit voltage ( V OC ) and power conversion efficiency (PCE) of organic solar cells (OSCs). Utilizing the aggregation-induced emission (AIE) effect should be effective to enhance the PLQY. However, there is no reliable molecular design strategy to realize AIE while maintaining the appropriate aggregation behavior of materials. In this study, through cleavage of the conjugated structure of the shamrock-shaped molecule of AQ-fNI, a nonfullerene acceptor (NFA), AQ-NI, with AIE effect was developed. AQ-NI exhibits a higher PLQY (14.6%) than that of AQ-fNI (6.16%), enabling an exceptionally low energy loss of 0.494 eV and consequently a high V OC of 0.960 V. Moreover, the becoming stacking characteristics of AQ-NI facilitate the modulation of aggregation behavior in the active layer, resulting in a favorable phase-separated morphology and enhanced charge carrier transport. As a result, the layer-by-layer (LBL)-fabricated binary OSCs based on D18/AQ-NI achieved a high PCE of 19.14%. In addition, AQ-NI could serve as a guest molecule in a bulk-heterojunction structure, and D18:L8-BO:AQ-NI-based ternary OSCs realized an improved PCE of 20.22% in comparison with the D18:L8-BO-based binary device (PCE = 19.39%). Our findings provide a simple and promising strategy for designing high-performance NFAs with AIE effect and establish a fundamental correlation between AIE properties and OSC performance.
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