Efficient Organic Solar Cells from Molecular Orientation Control of M-Series Acceptors

接受者 材料科学 有机太阳能电池 方向(向量空间) 分子 聚合物 电子受体 结晶学 化学 光化学 有机化学 物理 数学 复合材料 几何学 凝聚态物理
作者
Yunlong Ma,Ming Zhang,Shuo Wan,Pan Yin,Pengsong Wang,Dongdong Cai,Feng Liu,Qingdong Zheng
出处
期刊:Joule [Elsevier BV]
卷期号:5 (1): 197-209 被引量:222
标识
DOI:10.1016/j.joule.2020.11.006
摘要

Summary

A "face-on" molecular orientation is essential for photovoltaic materials with efficient vertical carrier transport, but understanding how the molecular structures control their orientations remains challenging. Based on a ladder-type fused-ring core without sp3-hybridized bridging atoms, novel acceptor-donor-acceptor (A-D-A or ADA)-type nonfullerene acceptors (M3 and M32) are developed, and their molecular orientation behaviors are successfully controlled by the neighboring side chains. With linear n-cetyl chains on the nitrogen atoms, the acceptor (M32) tends to adopt an "edge-on" molecular orientation, whereas with bulky branched 2-hexyldecyl chains, the acceptor (M3) has a preferred "face-on" orientation. Blended with a donor polymer of PM6, M3 shows optimal phase separation and dramatically improved electron transport, consequently leading to a much higher device performance than M32. Further optimization of the M3-based devices yields an outstanding efficiency of 16.66%. The strategy of molecular orientation control proposed here will inspire many other innovative designs and syntheses of high-performance nonfullerene acceptors.
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