High‐Performance Fluorinated Fused‐Ring Electron Acceptor with 3D Stacking and Exciton/Charge Transport

材料科学 堆积 有机太阳能电池 电子受体 接受者 激子 结晶度 分子 轨道能级差 吸收(声学) 电子 化学物理 结晶学 光化学 聚合物 有机化学 凝聚态物理 化学 量子力学 物理 复合材料
作者
Shuixing Dai,Jiadong Zhou,Sreelakshmi Chandrabose,Yanjun Shi,Guangchao Han,Kai Chen,Jingming Xin,Kuan Liu,Zhenyu Chen,Zengqi Xie,Wei Ma,Yuanping Yi,Lang Jiang,Justin M. Hodgkiss,Xiaowei Zhan
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:32 (21) 被引量:142
标识
DOI:10.1002/adma.202000645
摘要

A new fluorinated electron acceptor (FINIC) based on 6,6,12,12-tetrakis(3-fluoro-4-hexylphenyl)-indacenobis(dithieno[3,2-b;2',3'-d]thiophene) as the electron-donating central core and 5,6-difluoro-3-(1,1-dicyanomethylene)-1-indanone as the electron-deficient end groups is rationally designed and synthesized. FINIC shows similar absorption profile in dilute solution to the nonfluorinated analogue INIC. However, compared with INIC, FINIC film shows red-shifted absorption, down-shifted frontier molecular orbital energy levels, enhanced crystallinity, and more ordered molecular packing. Single-crystal structure data show that FINIC molecules pack into closer 3D "network" motif through H-bonding and π-π interaction, while INIC molecules pack into incompact "honeycomb" motif through only π-π stacking. Theoretical calculations reveal that FINIC has stronger electronic coupling and more molecular interactions than INIC. FINIC has higher electron mobilities in both horizontal and vertical directions than INIC. Moreover, FINIC and INIC support efficient 3D exciton transport. PBD-SF/FINIC blend has a larger driving force for exciton splitting, more efficient charge transfer and photoinduced charge generation. Finally, the organic solar cells based on PBD-SF/FINIC blend yield power conversion efficiency of 14.0%, far exceeding that of the PBD-SF/INIC-based devices (5.1%).
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