Cyclization Engineering of Electron-Deficient Maleimide Unit for Nonfused Ring Electron Acceptors Enables Efficient Organic Solar Cells

马来酰亚胺 材料科学 有机太阳能电池 电子 能量转换效率 轨道能级差 光化学 噻吩 光电子学 纳米技术 高分子化学 有机化学 分子 化学 复合材料 聚合物 物理 量子力学
作者
Shenbo Zhu,Li Lyu,Yiyang Li,Wenqin Li,Yongjie Cui,Huawei Hu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (26): 33928-33934 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.4c06589
摘要

Nonfused ring electron acceptors (NFREAs) have emerged as promising materials for commercial applications in organic solar cells due to their straightforward synthesis process and cost-effectiveness. The rational design of their structural frameworks is crucial for enhancing device efficiency. In this study, we explore the use of maleimide and thiophene as key building blocks, employing cyclization engineering techniques. Additionally, cyclopentanedithiophene was chosen as the bridging unit, coupled with fluorinated terminals, to fabricate NFREAs, namely, PI-DTS and DPI-DTS. DPI-DTS demonstrated superior molecular planarity and an upshifted lowest unoccupied molecular orbital energy level. Moreover, DPI-DTS-based blend films display enhanced π–π interactions and crystallinity, alongside a predominantly face-on orientation. Consequently, DPI-DTS-based devices displayed enhanced and more balanced carrier mobility, reduced bimolecular recombination, and trap-assisted recombination, leading to improved charge transfer efficiency. Ultimately, this led to an excellent efficiency of 10.48%, with an open-circuit voltage as high as 0.914 V. These findings highlight the significant promise of aromatic imides in constructing NFREAs, and the established structure-performance relationship provides a theoretical basis for the design of high performance NFREAs.
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