Pre-aggregation Manipulation of Polymer Donor Using Guest Plasticizers for Developing Nonhalogenated Green Solvent Processed High-performance Organic Solar Cells

doi:10.7503/cjcu20230128

Abstract

Abstract:

Recent advances in non-fullerene acceptors like Y6 have pushed the power conversion efficiencies（PCEs） of organic solar cells（OSCs） above 19%. However， the harsh fabrication conditions， such as the use of the highly volatile chloroform solvent， are not suitable for large-area printing technologies and environmental standards. Here， a third component（guest） BTP-3Si-4F is designed and synthesized with siloxane repeating units in side chains. The guest BTP-3Si-4F could act as a plasticizer， which inhibits the pre-aggregation behavior of PM6 in nonhalo-genated（toluene） solution and enables the active layer to form a morphology with suitable phase separation scale. Therefore， BTP-3Si-4F blended with PM6∶Y6 and PM6∶BTP-eC9 deliver the highest PCEs of 16.92% and 17.64%， respectively. The results demonstrate controlling the pre-aggregation behavior of donor via guest molecules is an effective and universal way to achieve efficient OSCs in non-halogenated solution.

Key words: Organic solar cell, Plasticizer, Host-guest active layer, Pre-aggregation

CLC Number:

O631

TrendMD:

CHEN Haiyang, LI Xinqi, DING Junyuan, HUANG Yuting, LI Yaowen. Pre-aggregation Manipulation of Polymer Donor Using Guest Plasticizers for Developing Nonhalogenated Green Solvent Processed High-performance Organic Solar Cells[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(7): 20230128.

Figures/Tables 10

Table 1 Water and diiodomethane contact angles on the PM6, Y6 and BTP-3Si-4F films and the corresponding surface free energy

Film	θ_H2O/（°）	θ_CH3I/（°）	γ^d/（mJ·m^-2）	γ^p/（mJ·m^-2）	γ/（mJ·m^-2）
PM6	101.26	62.57	26.77	0.52	27.31
Y6	84.96	57.66	25.91	4.93	30.84
BTP⁃3Si⁃4F	87.30	66.80	21.68	5.25	26.93

Table 2 Photovoltaic performance parameters of OSCs(Tol) based on based on PM6∶Y6∶BTP-3Si-4F with various ratios of BTP-3Si-4F

m（PM6）∶m（Y6）∶m（BTP⁃3Si⁃4F）	V_oc/V	J_sc/（mA·cm^-2）	J_cal^a /（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE_max（PCE_avg） ^b （%）	$∆ E 3 /$ V
1∶1.2∶0	0.830	21.45	21.23	68.63	12.22（11.75 $±$ 0.50）	0.286
1∶1.2∶0.2	0.846	24.04	23.63	73.60	14.98（14.42 $±$ 0.43）	—
1∶1∶0.4	0.857	25.45	25.01	73.68	16.01（15.45 $±$ 0.36）	—
1∶0.8∶0.6	0.864	26.25	25.80	74.63	16.92（16.54 $±$ 0.24）	0.263
1∶0.6∶0.8	0.859	25.41	25.15	73.73	16.09（15.53 $±$ 0.32）	—
1∶0∶1.2	0.833	22.67	21.84	67.35	12.71（12.10 $±$ 0.35）	0.291

Table 2 Photovoltaic performance parameters of OSCs(Tol) based on based on PM6∶Y6∶BTP-3Si-4F with various ratios of BTP-3Si-4F

m（PM6）∶m（Y6）∶m（BTP⁃3Si⁃4F）	V_oc/V	J_sc/（mA·cm^-2）	J_cal^a /（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE_max（PCE_avg） ^b （%）	$∆ E 3 /$ V
1∶1.2∶0	0.830	21.45	21.23	68.63	12.22（11.75 $±$ 0.50）	0.286
1∶1.2∶0.2	0.846	24.04	23.63	73.60	14.98（14.42 $±$ 0.43）	—
1∶1∶0.4	0.857	25.45	25.01	73.68	16.01（15.45 $±$ 0.36）	—
1∶0.8∶0.6	0.864	26.25	25.80	74.63	16.92（16.54 $±$ 0.24）	0.263
1∶0.6∶0.8	0.859	25.41	25.15	73.73	16.09（15.53 $±$ 0.32）	—
1∶0∶1.2	0.833	22.67	21.84	67.35	12.71（12.10 $±$ 0.35）	0.291

Table 3 Photovoltaic performance parameters of OSCs based on PM6∶BTP-eC9∶BTP-3Si-4F blend with various ratios of BTP-3Si-4F

m（PM6）∶m（BTP⁃eC9）∶m（BTP⁃3Si⁃4F）	V_oc/V	J_sc/（mA cm^-2）	J_cal^a/（mAcm^-2）	FF（%）	PCE_max（PCE_avg） ^b （%）
1∶1.2∶0	0.834	25.88	25.87	75.90	16.38（15.82 $±$ 0.54）
1∶1∶0.4	0.840	26.69	26.68	76.08	17.06（16.63 $±$ 0.35）
1∶0.8∶0.6	0.844	27.15	26.99	76.93	17.64（17.33 $±$ 0.21）
1∶0.6∶0.8	0.841	27.03	26.87	76.16	17.30（17.01 $±$ 0.16）

Table 3 Photovoltaic performance parameters of OSCs based on PM6∶BTP-eC9∶BTP-3Si-4F blend with various ratios of BTP-3Si-4F

m（PM6）∶m（BTP⁃eC9）∶m（BTP⁃3Si⁃4F）	V_oc/V	J_sc/（mA cm^-2）	J_cal^a/（mAcm^-2）	FF（%）	PCE_max（PCE_avg） ^b （%）
1∶1.2∶0	0.834	25.88	25.87	75.90	16.38（15.82 $±$ 0.54）
1∶1∶0.4	0.840	26.69	26.68	76.08	17.06（16.63 $±$ 0.35）
1∶0.8∶0.6	0.844	27.15	26.99	76.93	17.64（17.33 $±$ 0.21）
1∶0.6∶0.8	0.841	27.03	26.87	76.16	17.30（17.01 $±$ 0.16）

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