18.9% Efficient Organic Solar Cells Based on n‐Doped Bulk‐Heterojunction and Halogen‐Substituted Self‐Assembled Monolayers as Hole Extracting Interlayers

材料科学 单层 有机太阳能电池 轨道能级差 兴奋剂 异质结 氧化铟锡 掺杂剂 能量转换效率 佩多:嘘 聚合物太阳能电池 光电子学 纳米技术 分子 复合材料 有机化学 图层(电子) 聚合物 化学
作者
Yuanbao Lin,Yadong Zhang,Junxiang Zhang,Mantas Marčinskas,Tadas Malinauskas,Artiom Magomedov,Mohamad Insan Nugraha,Dimitrios Kaltsas,Dipti R. Naphade,George T. Harrison,Abdulrahman El Labban,Stephen Barlow,Stefaan De Wolf,Ergang Wang,Iain McCulloch,Leonidas Tsetseris,Vytautas Getautis,Seth R. Marder,Thomas D. Anthopoulos
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:12 (45) 被引量:105
标识
DOI:10.1002/aenm.202202503
摘要

Abstract The influence of halogen substitutions (F, Cl, Br, and I) on the energy levels of the self‐assembled hole‐extracting molecule [2‐(9 H ‐Carbazol‐9‐yl)ethyl]phosphonic acid (2PACz), is investigated. It is found that the formation of self‐assembled monolayers (SAMs) of [2‐(3,6‐Difluoro‐9 H ‐carbazol‐9‐yl)ethyl]phosphonic acid (F‐2PACz), [2‐(3,6‐Dichloro‐9 H ‐carbazol‐9‐yl)ethyl]phosphonic acid (Cl‐2PACz), [2‐(3,6‐Dibromo‐9 H ‐carbazol‐9‐yl)ethyl]phosphonic acid (Br‐2PACz), and [2‐(3,6‐Diiodo‐9 H ‐carbazol‐9‐yl)ethyl]phosphonic acid (I‐2PACz) directly on indium tin oxide (ITO) increases its work function from 4.73 eV to 5.68, 5.77, 5.82, and 5.73 eV, respectively. Combining these ITO/SAM electrodes with the ternary bulk‐heterojunction (BHJ) system PM6:PM7‐Si:BTP‐eC9 yields organic photovoltaic (OPV) cells with power conversion efficiency (PCE) in the range of 17.7%–18.5%. OPVs featuring Cl‐2PACz SAMs yield the highest PCE of 18.5%, compared to cells with F‐2PACz (17.7%), Br‐2PACz (18.0%), or I‐2PACz (18.2%). Data analysis reveals that the enhanced performance of Cl‐2PACz‐based OPVs relates to the increased hole mobility, decreased interface resistance, reduced carrier recombination, and longer carrier lifetime. Furthermore, OPVs featuring Cl‐2PACz show enhanced stability under continuous illumination compared to ITO/PEDOT:PSS‐based cells. Remarkably, the introduction of the n‐dopant benzyl viologen into the BHJ further boosted the PCE of the ITO/Cl‐2PACz cells to a maximum value of 18.9%, a record‐breaking value for SAM‐based OPVs and on par with the best‐performing OPVs reported to date.
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