Approaching 20% Efficiency in Ortho‐Xylene Processed Organic Solar Cells by a Benzo[a]phenazine‐Core‐Based 3D Network Acceptor with Large Electronic Coupling and Long Exciton Diffusion Length

有机太阳能电池 材料科学 吩嗪 联轴节(管道) 接受者 扩散 芯(光纤) 激子 化学物理 有机化学 化学 聚合物 热力学 复合材料 冶金 物理 凝聚态物理
作者
Zhenghui Luo,Weifei Wei,Ruijie Ma,Guangliu Ran,Min Hun Jee,Zhanxiang Chen,Yuxiang Li,Wenkai Zhang,Han Young Woo,Chuluo Yang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (41): e2407517-e2407517 被引量:92
标识
DOI:10.1002/adma.202407517
摘要

High-performance organic solar cells often rely on halogen-containing solvents, which restrict the photovoltaic industry. Therefore, it is imperative to develop efficient organic photovoltaic materials compatible with halogen-free solvents. Herein, a series of benzo[a]phenazine (BP)-core-based small-molecule acceptors (SMAs) achieved through an isomerization chlorination strategy is presented, comprising unchlorinated NA1, 10-chlorine substituted NA2, 8-chlorine substituted NA3, and 7-chlorine substituted NA4. Theoretical simulations highlight NA3's superior orbit overlap length and tight molecular packing, attributed to interactions between the end group and BP unit. Furthermore, NA3 demonstrates dense 3D network structures and a record electronic coupling of 104.5 meV. These characteristics empower the ortho-xylene (o-XY) processed PM6:NA3 device with superior power conversion efficiency (PCE) of 18.94%, surpassing PM6:NA1 (15.34%), PM6:NA2 (7.18%), and PM6:NA4 (16.02%). Notably, the significantly lower PCE in the PM6:NA2 device is attributed to excessive self-aggregation characteristics of NA2 in o-XY. Importantly, the incorporation of D18-Cl into the PM6:NA3 binary blend enhances crystallographic ordering and increases the exciton diffusion length of the donor phase, resulting in a ternary device efficiency of 19.75% (certified as 19.39%). These findings underscore the significance of incorporating new electron-deficient units in the design of efficient SMAs tailored for environmentally benign solvent processing of OSCs.
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