End-capped Polymer Donors for Highly-efficient Organic Solar Cells

doi:10.7503/cjcu20230169

Abstract

Abstract:

End-capping engineering is a very simple and convenient strategy for polymer modification， whereas its application in high performance non-fullerene organic solar cells is still limited. In this paper， three novel fully end-capped donors PM6-T-EH， PM6-2T-EH and PM6-3T-EH were prepared by capped with 2-（2-ethylhexyl）-thiophene（T-EH）， 5-（2-ethylhexyl）-2，2′-bithiophene（2T-EH）， and 5-（2-ethylhexyl）-2，2′∶5′，2′′-terthiophene（3T-EH）， respectively. Compared with pristine polymer donors PM6（15.40%）， end-capped polymers PM6-T-EH， PM6-2T-EH， PM6-3T-EH blended with Y6 achieved the power conversion efficiencies（PCE） of 16.66%， 15.54% and 13.50%， respectively. It is shown that the alkyl monothiophene end-capped polymer can reduce the carrier traps， optimize the morphology and improve the charge transport in the active layer， thus enhance the overall PCE. The gradually decreased device performance along with the increase of thiophene units in end-capping groups， is mainly attributed to the deteriorated morphology of active layer， resulting from the bulky conjugated chains of the end- capping groups. Further optimizing the active layer， the device based on PM6-T-EH∶BTP-eC9 achieved a highe efficiency of 18.02%.

Key words: Organic solar cell, Polymer donor, End-capping strategy, Photovoltaic conversion efficiency

CLC Number:

O649.5

TrendMD:

ZHANG Youhui, YANG Na, DUAN Na, CHENG Yujun, YOU Shiyong, WU Feiyan, CHEN Lie. End-capped Polymer Donors for Highly-efficient Organic Solar Cells[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(7): 20230169.

Figures/Tables 9

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Polymer	M_n	PDI	λ_{max， sol}^a /nm	λ_{max， f}^b /nm	T_d^c /℃	E_g^{o pt}/eV	E_HOMO/eV	E_LUMO/eV
PM6	38100	2.5	615	624	362	1.82	-5.45	-3.63
PM6⁃T⁃EH	29200	2.6	616	619	376	1.83	-5.44	-3.61
PM6⁃2T⁃EH	26200	2.4	613	619	381	1.82	-5.42	-3.60
PM6⁃3T⁃EH	26400	2.6	615	624	396	1.82	-5.48	-3.66

Polymer	M_n	PDI	λ_{max， sol}^a /nm	λ_{max， f}^b /nm	T_d^c /℃	E_g^{o pt}/eV	E_HOMO/eV	E_LUMO/eV
PM6	38100	2.5	615	624	362	1.82	-5.45	-3.63
PM6⁃T⁃EH	29200	2.6	616	619	376	1.83	-5.44	-3.61
PM6⁃2T⁃EH	26200	2.4	613	619	381	1.82	-5.42	-3.60
PM6⁃3T⁃EH	26400	2.6	615	624	396	1.82	-5.48	-3.66

Active layer	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^‒2）	FF（%）	PCE（%） ^a
PM6∶Y6	0.841	25.07	73.77	15.40（15.25）
PM6⁃T⁃EH∶Y6	0.850	26.17	74.79	16.66（16.21）
PM6⁃2T⁃EH∶Y6	0.846	25.71	71.43	15.54（15.20）
PM6⁃3T⁃EH∶Y6	0.833	24.95	65.05	13.50（13.34）
PM6∶BTP⁃eC9 ^b	0.841	26.56	76.82	17.17（16.56）
PM6⁃T⁃EH∶BTP⁃eC9 ^b	0.842	26.82	77.47	17.49（16.67）
PM6⁃T⁃EH∶BTP⁃eC9 ^c	0.844	27.55	77.51	18.02（17.78）

Active layer	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^‒2）	FF（%）	PCE（%） ^a
PM6∶Y6	0.841	25.07	73.77	15.40（15.25）
PM6⁃T⁃EH∶Y6	0.850	26.17	74.79	16.66（16.21）
PM6⁃2T⁃EH∶Y6	0.846	25.71	71.43	15.54（15.20）
PM6⁃3T⁃EH∶Y6	0.833	24.95	65.05	13.50（13.34）
PM6∶BTP⁃eC9 ^b	0.841	26.56	76.82	17.17（16.56）
PM6⁃T⁃EH∶BTP⁃eC9 ^b	0.842	26.82	77.47	17.49（16.67）
PM6⁃T⁃EH∶BTP⁃eC9 ^c	0.844	27.55	77.51	18.02（17.78）

Film	θ_Water/（°）	γ/（mN·m^-1）	Blend film	χ
PM6	104.9	20.95	PM6∶Y6	0.147
PM6⁃T⁃EH	105.5	19.86	PM6⁃T⁃EH∶Y6	0.247
PM6⁃2T⁃EH	106.9	19.04	PM6⁃2T⁃EH∶Y6	0.349
PM6⁃3T⁃EH	107.0	18.92	PM6⁃3T⁃EH∶Y6	0.365
Y6	94.72	24.54	－	－