Asymmetric Electron Acceptors for High‐Efficiency and Low‐Energy‐Loss Organic Photovoltaics

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作者
Shuixing Li,Lingling Zhan,Yingzhi Jin,Guanqing Zhou,Tsz‐Ki Lau,Ran Qin,Minmin Shi,Chang‐Zhi Li,Haiming Zhu,Xinhui Lu,Fengling Zhang,Hongzheng Chen
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:32 (24): e2001160-e2001160 被引量:329
标识
DOI:10.1002/adma.202001160
摘要

Low energy loss and efficient charge separation under small driving forces are the prerequisites for realizing high power conversion efficiency (PCE) in organic photovoltaics (OPVs). Here, a new molecular design of nonfullerene acceptors (NFAs) is proposed to address above two issues simultaneously by introducing asymmetric terminals. Two NFAs, BTP-S1 and BTP-S2, are constructed by introducing halogenated indandione (A1 ) and 3-dicyanomethylene-1-indanone (A2 ) as two different conjugated terminals on the central fused core (D), wherein they share the same backbone as well-known NFA Y6, but at different terminals. Such asymmetric NFAs with A1 -D-A2 structure exhibit superior photovoltaic properties when blended with polymer donor PM6. Energy loss analysis reveals that asymmetric molecule BTP-S2 with six chlorine atoms attached at the terminals enables the corresponding devices to give an outstanding electroluminescence quantum efficiency of 2.3 × 10-2 %, one order of magnitude higher than devices based on symmetric Y6 (4.4 × 10-3 %), thus significantly lowering the nonradiative loss and energy loss of the corresponding devices. Besides, asymmetric BTP-S1 and BTP-S2 with multiple halogen atoms at the terminals exhibit fast hole transfer to the donor PM6. As a result, OPVs based on the PM6:BTP-S2 blend realize a PCE of 16.37%, higher than that (15.79%) of PM6:Y6-based OPVs. A further optimization of the ternary blend (PM6:Y6:BTP-S2) results in a best PCE of 17.43%, which is among the highest efficiencies for single-junction OPVs. This work provides an effective approach to simultaneously lower the energy loss and promote the charge separation of OPVs by molecular design strategy.
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