Understanding the Mixing Phase Structure in Multi-length-scale Morphology to Arrest High-performance Photovoltaic Devices

doi:10.7503/cjcu20230147

Abstract

Abstract:

The properties of the mixing phase are investigated in detail by introducing PC₇₁BM into two typical organic photovoltaic blends J51∶N2200 and PM6∶Y6. It is found that the process of exciton dissociation and carrier transport in the mixing zone play a key role in determining the power conversion efficiency. In J51∶N2200∶PC₇₁BM blend， the aggregation of PC₇₁BM in the mixing zone brings in energetic barrier to inhibit the hole transfer process. In the meanwhile， the enlarged intervals in-between the double fibril network limit the effective diffusion of the split electrons and holes in the mixing zone， leading to large recombination and energy loss. While in PM6∶Y6∶PC₇₁BM blend， the introduced PC₇₁BM could homogeneously distribute in the amorphous zone， mixing well with PM6 and Y6 molecules. Meanwhile， the addition of PC₇₁BM does not perturb the hole transfer from Y6 to PM6. Such a morphology is advantageous where electrons and holes generated at abundant donor/acceptor interface could diffuse out rapidly， and transport in the crystalline pathway towards the corresponding electrodes. Such results reveal the importance of manipulating the mixing phase structure in the multi-length-scale morphology， of high demand towards 20% efficiency in the next episode organic solar cell（OSC） development.

Key words: Mixing phase, Multi-length-scale morphology, Organic photovoltaics, Power conversion efficiency

CLC Number:

O631

TrendMD:

ZHANG Ming, ZHONG Wenkai, QIAN Shiyun, LYU Bosai, ZHOU Guanqing, XUE Xiaonan, ZHOU Zichun, SHI Zhiwen, ZHU Lei, ZHANG Yongming, LIU Feng. Understanding the Mixing Phase Structure in Multi-length-scale Morphology to Arrest High-performance Photovoltaic Devices[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(7): 20230147.

Figures/Tables 6

Fig.1 Chemical structures(A), energy level diagram(B), thin film absorption coefficient of the materials used in the experiment(C) and the 2D GIWAXS patterns of the neat thin films(D)

Fig.2 Current density⁃voltage characteristics(A), external quantum efficiency spectra of the binary and ternary devices(B), characteristics of VOC(C), JSCversus light intensity for optimal binary and ternary devices(D)(the linear fitting was performed to obtain the recombination parameters as shown in the legend), normalized EL spectra of the BHJ and single⁃component devices(E) and the s⁃EQE spectra of the optimal binary and ternary devices, and the sub⁃gap is fitted with Gaussian to obtain the CT state energy(F)

Table 1 Summary of photovoltaics of binary and ternary solar cells under illumination of AM 1.5 G, 100 mW/cm2

m（J51）∶m（N2200）∶m（PC₇₁BM）	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^‒2）	FF（%）	PCE（%）	Average PCE（%）
1∶0.5∶0	0.82	13.48	66.32	7.33	7.04
1∶0.5∶0.2	0.78	13.31	62.92	6.53	6.41
1∶0.5∶0.4	0.76	13.21	60.11	6.04	5.83
1∶0.5∶0.6	0.76	13.09	59.33	5.90	5.53
1∶0.5∶0.8	0.76	12.97	57.04	5.62	5.37
1∶0∶1	0.76	8.90	66.13	4.47	4.13

Fig.3 2D GIWAXS patterns(A), fitted N2200(red bar), J51(blue bar) π⁃π peak area(B), RSoXS results(C), 2D PSoXS patterns at the energy of 285.4 and 292 eV, with the anisotropy factor inset in red(all share the same color bar)(D), and SNOM images of the J51∶N2200 blends with different PC71BM contents(E)

Fig.4 Color plot of fs transient absorption spectra of J51∶N2200(A) and J51∶N2200∶PC71BM(0.4)(B) blends at indicated delay times under 750 nm excitation with a fluence below 10 μJ/cm2, and corresponding representative fs TA spectra at indicated delay times(C, D), TA kinetics of hole transfer process for the blended films(solid circles) and corresponding bi⁃exponential fitting(solid line)(E) and charge transfer time achieved through multi-exponential fitting for different blended films(F)

Fig.5 The chemical structure of PM6, Y6 and PC71BM(A), the photovoltaic parameters of the PM6∶Y6 devices with varied PC71BM contents(B), the normalized EL(solid line) and s⁃EQE(dash line) spectra for the BHJ devices with semi⁃logarithmic plot(C), the area(D) and CCL(E) of the Y6(020) peak and PM6 lamellae peak for the blends with different PC71BM contents, the RSoXS results of the blends thin films with different PC71BM contents(F), TA kinetics of hole transfer process for the blended films(solid circles) and corresponding bi⁃exponential fitting(solid line)(G), the schematic illustrates the morphology difference in J51∶N2200∶PC71BM(H) and PM6∶Y6∶PC71BM(I) blends

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