All-small-molecule Organic Solar Cells with Enhanced Efficiency and Stability Enabled by Polymer Additive as a Morphology Modulator

doi:10.7503/cjcu20230047

Abstract

Abstract:

For all-small-molecule organic solar cells（ASM-OSCs）， modulating the morphology of active layer has been a challenging and urgent issue to achieve high efficiency and stablity. In this work， a polymer donor PM7 as a morphology modulator was incorporated to a BTTzR∶Y6 system to fabricate ternary ASM-OSCs. A small amount of PM7 could promote more favourable nanostructure and ordered molecular packing in the blend film， resulting in more efficient excition dissiociation and charge carrier transport in the device. As a result， the optimal ternary devices exhibited a significantly improved power conversion efficiency（PCE） of 16.0% with simultaneously enhanced short circuit current（J_SC） and fill factor（FF） compared to the binary devices with a PCE of 13.9%. Notably， after being heated at 85 ℃ for 2200 min， the ternary devices still retained 79% of its initial PCE， whereas the binary devices showed larger decay to 43% in the same duration. The results demonstrated that adding the polymer additive can effectively modulate the blend morphology for highly efficient and stable ASM-OSCs.

Key words: All-small-molecule organic solar cell, Polymer additive, Morphology modulator, High efficiency and stability

CLC Number:

O649

TrendMD:

SHI Yu, ZHANG Liu, GUO Xia, WANG Yang, XIAO Haiqin, FANG Jin, ZHOU Yi, ZHANG Maojie. All-small-molecule Organic Solar Cells with Enhanced Efficiency and Stability Enabled by Polymer Additive as a Morphology Modulator[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(7): 20230047.

Figures/Tables 7

Fig.1 Molecular structures of BTTzR, Y6 and PM7(A), normalized UV⁃Vis⁃NIR absorption spectra of BTTzR, Y6 and PM7 in film states(B), UV⁃Vis⁃NIR absorption coefficients of BTTzR∶Y6 blends with different mass ratios of PM7(C) and energy level diagrams of BTTzR, Y6 and PM7(D)

Fig.2 J⁃V curves(A) and EQE spectra(B) of the BTTzR∶Y6 devices with different mass ratios of PM7, normalized PCE of devices based on BTTzR∶Y6 and BTTzR∶Y6 with 5%(mass fraction) PM7 of storage time at room temperature(C) and annealing time at 85 ℃(D) in a nitrogen glove box

Table 1 Photovoltaic parameters of devices based on BTTzR∶Y6 with different mass ratios of PM7 under the illumination of AM 1.5G, 100 mW/cm2

Mass fraction of PM7（%）	V_OC/V	J_SC/J_cal^a/（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE ^b （%）
0	0.88（0.87±0.01）	23.1/22.6（22.8±0.3）	68.1（66.8±0.9）	13.9（13.7±0.2）
5	0.88（0.87±0.01）	24.4/23.6（23.9±0.3）	74.4（72.8±1.3）	16.0（15.7±0.3）
10	0.88（0.87±0.01）	24.3/23.4（23.8±0.3）	72.0（70.8±1.2）	15.4（15.1±0.3）
15	0.87（0.87±0.01）	24.2/23.3（23.7±0.3）	69.7（68.8±0.9）	14.8（14.5±0.3）

Fig.3 Hole and electron mobilities(A), transient photocurrent curves(B), transient photovoltage curves(C), photocurrent density(Jph) versus effective voltage(Veff) curves(D), light intensity dependence of JSC(E) and VOC(F) curves of the BTTzR∶Y6 devices with or without PM7

Fig.4 AFM height images(A), TEM images(B) and 2D GIWAXS patterns(C) of BTTzR∶Y6 blend films without(A1—C1) or with PM7(A2—C2), in⁃plane(D) and out⁃of⁃plane(E) Scattering profiles of BTTzR, PM7, Y6 pure films and BTTzR∶Y6, BTTzR∶Y6 with PM7 blend films

Fig.5 Contact angle images of BTTzR, PM7 and Y6 films tested by water and diiodomethane

Table 2 Surface energy(γ) and Flory-Huggins interaction parameter(χ) obtained from water and diiodomethane contact angle measurements of different films

Film	γ/（mN·m^-1）	χ with BTTzR	χ with Y6
BTTzR	36.24	—	2.04κ
PM7	36.72	0.02κ	1.64κ
Y6	41.08	2.04κ	—
BTTzR with PM7	37.68	—	0.98κ
Y6 with PM7	39.83	1.14κ	—

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