Effect of Substitution Positions of Alkyl Chains in Small Molecular Donor Bridged Units on the Performance of Photovoltaic Devices

doi:10.7503/cjcu20230180

Abstract

Abstract:

Two isomeric small molecule donors， C2-C-F and C2-M-F， with only the different substitution positions of the alkyl chains on the intermediate bridged trithiophene units， were designed and synthesized. It was found that the alkyl chain substitution position has little effect on their absorptions and energy levels， but has a significant impact on the morphology of the active layers when blended with the acceptor BTP-4F-12. Better morphology was obtained for the active layer based on small molecule donor C2-C-F， and an efficiency of 12.84% was achieved for the C2-C-F-based photovoltaic device. This result indicates that the morphology of the active layer can be finely regulated through the alkyl substitution positions， providing a useful avenue for the design of efficient small molecule donors.

Key words: All-small-molecule organic solar cell, Alkyl chain, Small molecule donor

CLC Number:

O649.5

TrendMD:

GUO Ziqi, JIAO Cancan, WU Simin, MENG Lingxian, SUN Yanna, KE Xin, WAN Xiangjian, CHEN Yongsheng. Effect of Substitution Positions of Alkyl Chains in Small Molecular Donor Bridged Units on the Performance of Photovoltaic Devices[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(9): 20230180.

Figures/Tables 5

Fig.1 Chemical structures(A), energy level diagrams(B), normalized UV⁃Vis absorption spectra(C) and 2D GIWAXS of neat film(D) of C2⁃C⁃F, C2⁃M⁃F and 1D plots of the neat films in thein⁃plane and out⁃of⁃plane direction(F)

Fig.2 Chemical structure of BTP⁃4F⁃12(A), conventional device structure of ASM⁃OSCs(B), J⁃V curves of optimized ASM⁃OSCs based on C2⁃C⁃F and C2⁃M⁃F with TA treatment at 120 ℃ for 5 min under one sun illumination(AM 1.5 G 100 mW/cm2)(C) and EQE spectra of the corresponding devices(D)

Table 1 Optimized photovoltaic data of C2-C-F and C2-M-F based devices under the illumination of AM 1.5G(100 mW·cm‒2)

Active layer	V_oc/V	FF（%）	J_sc/（mA·cm^‒2）	J $s c E Q E$ /（mA·cm^‒2）	PCE^*（%）
C2⁃C⁃F∶BTP⁃4F⁃12	0.871（0.871±0.002）	62.32（62.34±0.62）	23.68（22.99±0.28）	22.91	12.84（12.48±0.16）^*
C2⁃M⁃F∶BTP⁃4F⁃12	0.889（0.885±0.003）	59.51（58.35±0.01）	21.57（21.52±0.41）	20.98	11.41（11.11±0.16）^*

Table 1 Optimized photovoltaic data of C2-C-F and C2-M-F based devices under the illumination of AM 1.5G(100 mW·cm‒2)

Active layer	V_oc/V	FF（%）	J_sc/（mA·cm^‒2）	J $s c E Q E$ /（mA·cm^‒2）	PCE^*（%）
C2⁃C⁃F∶BTP⁃4F⁃12	0.871（0.871±0.002）	62.32（62.34±0.62）	23.68（22.99±0.28）	22.91	12.84（12.48±0.16）^*
C2⁃M⁃F∶BTP⁃4F⁃12	0.889（0.885±0.003）	59.51（58.35±0.01）	21.57（21.52±0.41）	20.98	11.41（11.11±0.16）^*

Fig.3 PL spectra of neat films of two donors and blend films excited at 540 nm (A) and neat film of BTP⁃4F⁃12 and blend films exited at 780nm(B), Jphvs.Veff measurement of the devices(C), dependence of Voc(D) and Jsc(E) on light intensity(Plight) of two optimized ASM⁃OSCs

Fig.4 AFM images for the blend films based on optimal C2⁃C⁃F∶BTP⁃4F⁃12(A) and C2⁃M⁃F∶BTP⁃4F⁃12(B), 2D⁃GIWAXD diffraction images of C2⁃C⁃F∶BTP⁃4F⁃12(C) and C2⁃M⁃F∶BTP⁃4F⁃12(D) blend films and 1D plots of the blend films in the in⁃plane and out of plane direction(E)

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