A Wide Band Gap Polymer with a Deep Highest Occupied Molecular Orbital Level Enables 14.2% Efficiency in Polymer Solar Cells

化学 聚合物 聚合物太阳能电池 轨道能级差 侧链 接受者 富勒烯 化学物理 相(物质) 分子 光电子学 有机太阳能电池 带隙 材料科学 有机化学 物理 凝聚态物理
作者
Sunsun Li,Long Ye,Wenchao Zhao,Hongping Yan,Bei Yang,Delong Liu,Wanning Li,Harald Ade,Jianhui Hou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:140 (23): 7159-7167 被引量:675
标识
DOI:10.1021/jacs.8b02695
摘要

To simultaneously achieve low photon energy loss (Eloss) and broad spectral response, the molecular design of the wide band gap (WBG) donor polymer with a deep HOMO level is of critical importance in fullerene-free polymer solar cells (PSCs). Herein, we developed a new benzodithiophene unit, i.e., DTBDT-EF, and conducted systematic investigations on a WBG DTBDT-EF-based donor polymer, namely, PDTB-EF-T. Due to the synergistic electron-withdrawing effect of the fluorine atom and ester group, PDTB-EF-T exhibits a higher oxidation potential, i.e., a deeper HOMO level (ca. −5.5 eV) than most well-known donor polymers. Hence, a high open-circuit voltage of 0.90 V was obtained when paired with a fluorinated small molecule acceptor (IT-4F), corresponding to a low Eloss of 0.62 eV. Furthermore, side-chain engineering demonstrated that subtle side-chain modulation of the ester greatly influences the aggregation effects and molecular packing of polymer PDTB-EF-T. With the benefits of the stronger interchain π–π interaction, the improved ordering structure, and thus the highest hole mobility, the most symmetric charge transport and reduced recombination are achieved for the linear decyl-substituted PDTB-EF-T (P2)-based PSCs, leading to the highest short-circuit current density and fill factor (FF). Due to the high Flory–Huggins interaction parameter (χ), surface-directed phase separation occurs in the P2:IT-4F blend, which is supported by X-ray photoemission spectroscopy results and cross-sectional transmission electron microscope images. By taking advantage of the vertical phase distribution of the P2:IT-4F blend, a high power conversion efficiency (PCE) of 14.2% with an outstanding FF of 0.76 was recorded for inverted devices. These results demonstrate the great potential of the DTBDT-EF unit for future organic photovoltaic applications.
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