Z-configuration A-DA'D-A Type Acceptor with Thermal Annealing Induced High Open Circuit Voltage

doi:10.7503/cjcu20230164

Abstract

Abstract:

The development of organic solar cells（OSCs） is approaching the industrial production gradation. In addition to high power conversion efficiency（PCE）， it is critical to develop new active layer materials with high open circuit voltage（V_OC） and to reduce non-radiative recombination loss. Here， “Z”-configured naphtho［1，2-c∶5，6-c'］bis［1，2，5］thiadiazole（NT） nuclear A-DA'D-A receptor（ZNT） with a high lowest unoccupied molecular orbital （LUMO） energy level， is developed based on the electron-withdrawing unit（A） -electron-donating unit（D） combination of A-DA'D-A type acceptor Y6， which emerges a “Z” configuration and achieves a reduction in the non-radiative recombination loss of the device with D18 as the donor by increasing the annealing temperature. In order to investigate the difference between this phenomenon and the general phenomenon of V_OC reduction by thermal annealing， the D18∶Y6 system was prepared as a reference. By increasing the temperature of thermal annealing， the Urbach energy（E_U） of D18∶Y6 is elevated， and the non-radiative recombination loss is increased， thus， the V_OC is consistently reduced. Surprisingly， the increase of the thermal annealing temperature decreases the E_U of D18∶ZNT and effectively decreases the non-radiative recombination loss， therefore， the V_OC shows an unexpected increase. V_OC increases from 0.950 V under the unannealed condition to 0.963 V（80 ℃）， 0.993 V（100 ℃）， and even 0.995 V（110 ℃）. Combining the trends of increasing electron mobility with decreasing crystal coherence length（CCL） of the pure acceptor ZNT when the annealing temperature increases， it is inferred that the reduction of energetic disorder is a result of the augmented order of the acceptor ZNT. In addition， the ZNT has a higher LUMO， higher occupied molecular orbital（HOMO） energy levels and band gap than Y6， higher planarity of structure， and lower device exciton dissociation， making the PCE of the ZNT-based devices lower than that of the Y6-based devices. The present work is potentially instructive for the development of A-DA'D-A type acceptors and provides a material design direction for the future development of high-V_OC OSCs that avoids the phenomenon of the reduction of V_OC by thermal annealing.

Key words: Non-fullerene acceptor, Non-radiative recombination loss, Urbach energy, High open circuit voltage organic solar cell

CLC Number:

O626

TrendMD:

ZHANG Liting, QIU Dingding, ZHANG Jianqi, LYU Kun, WEI Zhixiang. Z-configuration A-DA'D-A Type Acceptor with Thermal Annealing Induced High Open Circuit Voltage[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(9): 20230164.

Figures/Tables 11

Fig.1 Chemical structures of Y6 and ZNT

Fig.2 Top view(A) and side views(B, C) of different perspectives of the optimized geometry of ZNT computed with B3LYP/6⁃31+G(d, p) level

Fig.3 Normalized UV⁃Vis absorption spectra of ZNT in solution(a) and at neat film state(b) and Y6 at neat film state(c)

Fig.4 Temperature⁃dependent UV⁃Vis absorption spectra of ZNT in chloroform

Fig.5 CV curves of ZNT(A) and energy levels of D18, Y6 and ZNT(B)

Table 1 Photovoltaic performance of the devices under different annealing temperatures(tA)

Device	t_A/°C	V_oc/V ^a	J_sc/（mA·cm^-2）	J_sc^b /（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE（%）
D18∶Y6	As⁃cast	0.843（0.839±0.003）	25.56（25.23±0.31） ^a	24.96	79.15（78.95±0.12） ^b	17.06（16.70±0.32） ^a
	80	0.836（0.832±0.002）	25.62（25.41±0.17）	25.25	78.29（77.89±0.29）	16.78（16.47±0.24）
	100	0.832（0.829±0.001）	26.10（25.82±0.16）	25.40	77.35（77.11±0.19）	16.80（16.52±0.15）
	110	0.824（0.822±0.001）	26.57（26.25±0.18）	25.60	75.94（75.64±0.34）	16.62（16.33±0.32）
D18∶ZNT	As⁃cast	0.950（0.947±0.008）	13.31（13.14±0.20）	12.71	53.34（52.85±0.43）	6.75（6.56±0.17）
	80	0.963（0.960±0.003）	13.88（13.74±0.07）	13.80	56.21（55.93±0.19）	7.51（7.37±0.10）
	100	0.993（0.989±0.004）	11.63（11.52±0.08）	11.31	54.18（53.88±0.36）	6.32（6.15±0.11）
	110	0.995（0.993±0.002）	10.70（10.46±0.19）	10.65	54.51（54.38±0.07）	5.81（5.63±0.14）

Fig.6 J⁃V curves(A, D), EQE curves(B, E) and dependence of Jph on Veff(C, F) of the D18∶Y6(A—C) and D18∶ZNT(D—F) devices under different annealing temperatures

Fig.7 Jsc(A) and Voc(B) dependence on light intensity, hole mobilities(C) and electron mobilities(D) curves of D18∶ZNT⁃based devices under different annealing temperatures

Fig.8 Energy loss(A, B) and FTPS⁃EQE spectra(C, D) for the D18∶Y6(A, D) and D18∶ZNT(B, D) devices under different annealing temperatures

Table 2 Energy loss of the devices under different annealing temperatures

Device	t_A/℃	V_OC/V	$E g p v$ /eV	E_loss（E_g-qV_OC）	$q V o c S Q$ /V	q $V o c r a d$ /V	ΔE₁/eV	ΔE₂/eV	ΔE₃/eV	ΔE/eV	$V o c c a l$ /V
D18∶Y6	As⁃cast	0.843	1.385	0.542	1.125	1.068	0.260	0.057	0.222	0.539	0.846
	80	0.836	1.385	0.549	1.125	1.065	0.260	0.060	0.227	0.547	0.838
	100	0.832	1.385	0.551	1.125	1.063	0.260	0.060	0.230	0.550	0.833
	110	0.824	1.385	0.561	1.125	1.061	0.260	0.062	0.231	0.553	0.830
D18∶ZNT	As⁃cast	0.950	1.526	0.576	1.257	1.194	0.269	0.063	0.242	0.574	0.952
	80	0.963	1.524	0.561	1.255	1.188	0.269	0.068	0.226	0.563	0.962
	100	0.993	1.525	0.532	1.255	1.205	0.269	0.050	0.211	0.530	0.994
	110	0.995	1.526	0.531	1.257	1.197	0.269	0.060	0.203	0.532	0.994

Table 2 Energy loss of the devices under different annealing temperatures

Device	t_A/℃	V_OC/V	$E g p v$ /eV	E_loss（E_g-qV_OC）	$q V o c S Q$ /V	q $V o c r a d$ /V	ΔE₁/eV	ΔE₂/eV	ΔE₃/eV	ΔE/eV	$V o c c a l$ /V
D18∶Y6	As⁃cast	0.843	1.385	0.542	1.125	1.068	0.260	0.057	0.222	0.539	0.846
	80	0.836	1.385	0.549	1.125	1.065	0.260	0.060	0.227	0.547	0.838
	100	0.832	1.385	0.551	1.125	1.063	0.260	0.060	0.230	0.550	0.833
	110	0.824	1.385	0.561	1.125	1.061	0.260	0.062	0.231	0.553	0.830
D18∶ZNT	As⁃cast	0.950	1.526	0.576	1.257	1.194	0.269	0.063	0.242	0.574	0.952
	80	0.963	1.524	0.561	1.255	1.188	0.269	0.068	0.226	0.563	0.962
	100	0.993	1.525	0.532	1.255	1.205	0.269	0.050	0.211	0.530	0.994
	110	0.995	1.526	0.531	1.257	1.197	0.269	0.060	0.203	0.532	0.994

Fig.9 AFM height images of the D18∶ZNT under different annealing temperatures(A—D), 2D GIWAXS patterns of D18∶ZNT, D18∶Y6 and pure film of ZNT under different annealing temperatures(E—P) and the corresponding 1D line⁃cut profiles of the D18∶Y6 and D18∶ZNT devices under different annealing temperatures(Q)(A, E, I, M) As⁃cast; (B, F, J, N) 80 ℃; (C, G, K, O) 100 ℃; (D, H, L, P) 110 ℃.

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