Non-fullerene Acceptors with Germanium as Bridge Atom and Their Applications in Organic Solar Cells

doi:10.7503/cjcu20230050

Abstract

Abstract:

Organic photovoltaic materials are composed of conjugated backbone and alkyl sidechain， which bear the functions of photo-sensitivity and solubilization. The bridge atom which is used to connect the backbone and the sidechain is rarely studied， although it plays a key role in determining molecular geometry and optoelectronic property. Herein， this work developed acceptor materials with germanium bridge and investigates the structure-property relationship. Compared with the traditional C—C bond， the longer C—Ge bond affected the planarity of the conjugated backbone as well as the distance between the backbone and the sidechain. Moreover， the fluorinated terminal was introduced into the acceptor GD4F-C8 to tune molecular geometry and packing order by non-covalent bond interaction which was induced by the fluorine atoms. As a result， GD4F-C8 has a broad absorption spectrum and suitable energy levels. More importantly， the compatibility of GD4F-C8 and the polymer donor PM6 is improved to deliver an active layer with favorable morphology. Eventually， organic solar cells based on PM6∶GD4F-C8 achieves a power conversion efficiency of 8.74%， demonstrating the potential of germanium-containing materials in organic solar cells and providing a new insight for acceptor design.

Key words: Organic solar cell, Germanium, Non-fullerene acceptor, Molecular geometry

CLC Number:

O649.5

TrendMD:

ZHANG Yi, SHAN Tong, WANG Yan, ZHONG Hongliang. Non-fullerene Acceptors with Germanium as Bridge Atom and Their Applications in Organic Solar Cells[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(7): 20230050.

Figures/Tables 7

Table 1 Optical and electrochemical properties of GDIC-C8 and GD4F-C8

Acceptor	λ $m a x s o l$ /nm	ε $m a x s o l$ /（L·mol^‒1·cm^‒1）	λ $m a x f i l m$ /nm	λ $o n s e t f i l m$ /nm	E $g o p t$ ^a /eV	E_HOMO^b /eV	E_LUMO^b /eV	E $g c v$ ^b /eV
GDIC⁃C8	644	1.66×10⁵	687	724	1.71	-5.67	-3.86	1.81
GD4F⁃C8	653	1.56×10⁵	694	745	1.66	-5.72	-3.96	1.76

Table 1 Optical and electrochemical properties of GDIC-C8 and GD4F-C8

Acceptor	λ $m a x s o l$ /nm	ε $m a x s o l$ /（L·mol^‒1·cm^‒1）	λ $m a x f i l m$ /nm	λ $o n s e t f i l m$ /nm	E $g o p t$ ^a /eV	E_HOMO^b /eV	E_LUMO^b /eV	E $g c v$ ^b /eV
GDIC⁃C8	644	1.66×10⁵	687	724	1.71	-5.67	-3.86	1.81
GD4F⁃C8	653	1.56×10⁵	694	745	1.66	-5.72	-3.96	1.76

Table 2 Photovoltaic performance of the OSCs under the illumination of AM 1.5 G at 100 mW/cm2 and carrier mobilities based on the blend films of PM6∶NFAs

Acceptor	V_OC^a /V	J_SC^a /（mA·cm^-2）	J_SC^b /（mA·cm^-2）	FF ^a （%）	PCE ^a （%）	（10⁴μ_h/10⁴μ_e）/（cm²·V^-1·s^-1）
GDIC⁃C8	1.02±0.00	11.00±0.21	10.89	57.5±0.4	6.48±0.15（6.76）	7.04/5.32
GD4F⁃C8	0.91±0.00	12.89±0.25	12.56	72.5±1.0	8.48±0.28（8.74）	16.1/12.5

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