苝酰亚胺受体的聚集形态对有机太阳电池中激子过程与电子传输的影响

doi:10.7503/cjcu20230092

摘要/Abstract

摘要：

末端烷基链分叉位置对苝酰亚胺(PBI)线性二联体的堆积模式具有显著影响, 进而影响激子过程与载流子传输. 二联体两端烷基链分叉位点紧靠苝酰亚胺能够抑制分子长程有序堆积, 形成具有较少能量陷阱的无定形聚集态; 而两端烷基链分叉位点远离苝酰亚胺则导致多种聚集结构共存, 分子间强π-π相互作用位点成为能量陷阱. 结果表明, PBI受体的聚集方式对有机太阳电池的性能产生重要影响, 需要尽量减少活性层中的多种聚集结构共存以免引起激子解离受限以及载流子传输迟滞.

关键词: 苝酰亚胺, 无定形态, 多种堆积共存, 有机太阳电池

Abstract:

Head-to-tail bonded perylene bisimide（PBI） dyads with different branched alkyl chains substituted at the terminal imide position show various stacking modes， which results in different effects on the excitonic processes and electron transportation. The dyad bearing branched alkyl chains with the branching sites close to the imide positions forms homogeneously amorphous state， while with branching sites being away from the imide positions the PBI core tend to stack with multiple modes. There are fewer energy trapping sites in the homogeneously amorphous state， but in the multiple stacking system the strong π-π interactions give more trapping sites. Our study demonstrates that the aggregation state of PBI-based acceptors plays an important role in the performances of organic solar cells（OSCs）. Multiple stacking needs to be diminished to avoid the constrained exciton dissociation and retarded charge transport in the active layer.

Key words: Perylene bisimide, Amorphous state, Coexistence of multiple stacking, Organic solar cell

中图分类号:

O622

TrendMD:

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图/表 11

Fig.1 Molecular structures of dPBIs(A) and molecular stacking in the dPBI(2⁃2) crystal(B)

Fig.2 Optical properties of dPBIs as thin films（A） Normalized UV-Vis absorption spectra of dPBIs films；（B） photoluminescence spectra of dPBIs films.

Fig.3 2D GIWAXS patterns and 1D linecuts of dPBIs

Fig.4 Fluorescence decays and temperature⁃dependent steady photoluminescence spectra of dPBIs（A） Fluorescence decays（λex=470 nm， λem=630 nm） of dPBIs as thin films；（B）—（D） temperature-dependent steady photoluminescence spectra of dPBI（1-1） film（B）， dPBI（1-2） film（C） and crystalline dPBI（2-2）（D）.

Table 1 Photophysical properties of dPBIs

Sample	λ $m a x a b c$ ^a /nm	λ $m a x e m s$ ^a /nm	Φ_PL（%）			τ_FL^a /ns
Sample	λ $m a x a b c$ ^a /nm	λ $m a x e m s$ ^a /nm	TOL ^b	DCM ^b	Film ^c	τ_FL^a /ns
dPBI（1⁃1）	544	624	82.3	83.7	17.3	2.90
dPBI（1⁃2）	548	629	82.5	84.2	19.1	3.93
dPBI（2⁃2）	561	635	83.3	85.2	19.1	4.69

Table 1 Photophysical properties of dPBIs

Sample	λ $m a x a b c$ ^a /nm	λ $m a x e m s$ ^a /nm	Φ_PL（%）			τ_FL^a /ns
Sample	λ $m a x a b c$ ^a /nm	λ $m a x e m s$ ^a /nm	TOL ^b	DCM ^b	Film ^c	τ_FL^a /ns
dPBI（1⁃1）	544	624	82.3	83.7	17.3	2.90
dPBI（1⁃2）	548	629	82.5	84.2	19.1	3.93
dPBI（2⁃2）	561	635	83.3	85.2	19.1	4.69

Fig.5 Temperature⁃dependent photoluminescence decays of dPBIs（A）—（C） Temperature-dependent photoluminescence decay curves of dPBI（1-1）， dPBI（1-2）， and dPBI（2-2） using TCSPC module， respectively；（D） fitted photoluminescence lifetimes of dPBIs under different temperatures.

Fig.6 J⁃V curves of the OSCs under 1 sun illumination(100 mW/cm2) of PM6∶dPBI⁃based OSCs

Table 2 Summary of photovoltaic performance of PM6∶dPBIs-based OSCs under the illumination of AM 1.5G, 100 mW/cm2

Active layer	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE（%）
PM6∶dPBI（1⁃1）	0.93	10.13	68.79	6.48
PM6∶dPBI（1⁃2）	0.92	9.57	68.55	6.03
PM6∶dPBI（2⁃2）	0.92	4.36	61.51	2.47

Fig.7 2D GIWAXS patterns of PM6∶dPBIs blend films

Fig.8 1D linecuts of PM6∶dPBIs blend filmsThe corresponding 1D linecuts were extracted along the IP（dash lines） and OOP（solid lines） directions.

Fig.9 Photocurrent density(Jph) vs. effective bias(Veff) curves(A) and VOC and JSCvs. light intensity(C, D) of PM6∶dPBIs⁃based OSCs

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