Enhancing the Performances of Porphyrin-based All-small-molecule Ternary Organic Solar Cells via Synergizing Fullerene and Non-fullerene Acceptors

doi:10.7503/cjcu20230136

Abstract

Abstract:

The introduction of a non-fullerene acceptor 2，2'-｛（2Z，2'Z）-［（4，4，9，9-tetrahexyl-4，9-dChemicalbookihydro-s-indaceno［1，2-b∶5，6-b'］dithiophene-2，7-diyl）bis（methanylylidene）］bis（3-oxo-2，3-dihydro-1H- indene-2，1-diylidene）｝dimalononitrile（IDIC） as the third component into a dimeric porphyrin small molecule donor（ZnP2-DPP） and fullerene acceptor ［6，6］-phenyl-C61-butyric acid methyl ester（PC₆₁BM） system achieved all-small molecule ternary organic solar cells（OSCs） with a power conversion efficiency（PCE） of 12.18%， which is higher than 9.47% for ZnP2-DPP∶PC₆₁BM binary cells and 8.82% for ZnP2-DPP∶IDIC binary OSCs. The addition of IDIC increased the absorption spectrum range and promoted the charge transfer between the three components， improving the photocurrents for the ternary solar cells. The synergy of the fullerene and non-fullerene acceptors effectively optimized the morphology of the blend film， and the molecular orientation was significantly tuned to form a hybrid orientation of face-on and edge-on， which led to a more favorable three-dimensional charge transport channels in the active layer and promotes the short-circuit current density（J_SC） and fill factor（FF）. This strategy exploited the advantages of both fullerene and non-fullerene acceptors， thus improving the four photovoltaic parameters of organic solar cells（OSCs）.

Key words: Porphyrin, All-small-molecule, Organic solar cell, Energy transfer

CLC Number:

O649.4

TrendMD:

WU Jifa, WU Hanping, YUAN Lin, PENG Xiaobin. Enhancing the Performances of Porphyrin-based All-small-molecule Ternary Organic Solar Cells via Synergizing Fullerene and Non-fullerene Acceptors[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(9): 20230136.

Figures/Tables 12

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BHJ	V_OC/V	J_sc/（mA·cm^-2）	J_cal^a /（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE^（%）
ZnP2⁃DPP∶PC₆₁BM	0.640	21.40	21.22	69.14	9.47
ZnP2⁃DPP∶IDIC	0.655	20.56	20.18	65.40	8.82
ZnP2⁃DPP∶IDIC∶PC₆₁BM	0.692	23.72	23.39	74.23	12.18

BHJ	V_OC/V	J_sc/（mA·cm^-2）	J_cal^a /（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE^（%）
ZnP2⁃DPP∶PC₆₁BM	0.640	21.40	21.22	69.14	9.47
ZnP2⁃DPP∶IDIC	0.655	20.56	20.18	65.40	8.82
ZnP2⁃DPP∶IDIC∶PC₆₁BM	0.692	23.72	23.39	74.23	12.18

BHJ	10⁴μ_h/（cm²·V^-1·s^-1）	10⁴μ_e/（cm²·V^-1·s^-1）	μ_h/μ_e
ZnP2⁃DPP∶PC₆₁BM	2.44	2.87	0.85
ZnP2⁃DPP∶IDIC	4.35	3.45	1.26
ZnP2⁃DPP∶IDIC∶PC₆₁BM	5.14	4.21	1.22

BHJ	10⁴μ_h/（cm²·V^-1·s^-1）	10⁴μ_e/（cm²·V^-1·s^-1）	μ_h/μ_e
ZnP2⁃DPP∶PC₆₁BM	2.44	2.87	0.85
ZnP2⁃DPP∶IDIC	4.35	3.45	1.26
ZnP2⁃DPP∶IDIC∶PC₆₁BM	5.14	4.21	1.22

Material	θ_water/（°）	θ_oil^a /（°）	γ^b /（mN·m^-1）	γ_d^b /（mN·m^-1）	γ_p^b /（mN·m^-1）	χ_{donor，acceptor}（k）
ZnP2⁃DPP	92.20	67.93	21.04	15.71	5.33	—
IDIC	82.37	64.63	23.33	15.92	7.41	5.90×10^-2
PC₆₁BM	82.58	56.75	27.34	18.80	8.54	4.12×10^-1
IDIC∶PC₆₁BM	91.68	69.09	20.73	14.83	5.90	1.15×10^-3