Aggregation Morphology of Perylene Bisimide Acceptors and the Role on Exciton Processes and Electron Transport in Organic Solar Cells

doi:10.7503/cjcu20230092

Abstract

Abstract:

Head-to-tail bonded perylene bisimide（PBI） dyads with different branched alkyl chains substituted at the terminal imide position show various stacking modes， which results in different effects on the excitonic processes and electron transportation. The dyad bearing branched alkyl chains with the branching sites close to the imide positions forms homogeneously amorphous state， while with branching sites being away from the imide positions the PBI core tend to stack with multiple modes. There are fewer energy trapping sites in the homogeneously amorphous state， but in the multiple stacking system the strong π-π interactions give more trapping sites. Our study demonstrates that the aggregation state of PBI-based acceptors plays an important role in the performances of organic solar cells（OSCs）. Multiple stacking needs to be diminished to avoid the constrained exciton dissociation and retarded charge transport in the active layer.

Key words: Perylene bisimide, Amorphous state, Coexistence of multiple stacking, Organic solar cell

CLC Number:

O622

TrendMD:

ZHANG Yu, CHEN Jiehuan, ZHOU Jiadong, LIU Linlin, XIE Zengqi. Aggregation Morphology of Perylene Bisimide Acceptors and the Role on Exciton Processes and Electron Transport in Organic Solar Cells[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(9): 20230092.

Figures/Tables 11

Fig.1 Molecular structures of dPBIs(A) and molecular stacking in the dPBI(2⁃2) crystal(B)

Fig.2 Optical properties of dPBIs as thin films（A） Normalized UV-Vis absorption spectra of dPBIs films；（B） photoluminescence spectra of dPBIs films.

Fig.3 2D GIWAXS patterns and 1D linecuts of dPBIs

Fig.4 Fluorescence decays and temperature⁃dependent steady photoluminescence spectra of dPBIs（A） Fluorescence decays（λex=470 nm， λem=630 nm） of dPBIs as thin films；（B）—（D） temperature-dependent steady photoluminescence spectra of dPBI（1-1） film（B）， dPBI（1-2） film（C） and crystalline dPBI（2-2）（D）.

Table 1 Photophysical properties of dPBIs

Sample	λ $m a x a b c$ ^a /nm	λ $m a x e m s$ ^a /nm	Φ_PL（%）			τ_FL^a /ns
Sample	λ $m a x a b c$ ^a /nm	λ $m a x e m s$ ^a /nm	TOL ^b	DCM ^b	Film ^c	τ_FL^a /ns
dPBI（1⁃1）	544	624	82.3	83.7	17.3	2.90
dPBI（1⁃2）	548	629	82.5	84.2	19.1	3.93
dPBI（2⁃2）	561	635	83.3	85.2	19.1	4.69

Table 1 Photophysical properties of dPBIs

Sample	λ $m a x a b c$ ^a /nm	λ $m a x e m s$ ^a /nm	Φ_PL（%）			τ_FL^a /ns
Sample	λ $m a x a b c$ ^a /nm	λ $m a x e m s$ ^a /nm	TOL ^b	DCM ^b	Film ^c	τ_FL^a /ns
dPBI（1⁃1）	544	624	82.3	83.7	17.3	2.90
dPBI（1⁃2）	548	629	82.5	84.2	19.1	3.93
dPBI（2⁃2）	561	635	83.3	85.2	19.1	4.69

Fig.5 Temperature⁃dependent photoluminescence decays of dPBIs（A）—（C） Temperature-dependent photoluminescence decay curves of dPBI（1-1）， dPBI（1-2）， and dPBI（2-2） using TCSPC module， respectively；（D） fitted photoluminescence lifetimes of dPBIs under different temperatures.

Fig.6 J⁃V curves of the OSCs under 1 sun illumination(100 mW/cm2) of PM6∶dPBI⁃based OSCs

Table 2 Summary of photovoltaic performance of PM6∶dPBIs-based OSCs under the illumination of AM 1.5G, 100 mW/cm2

Active layer	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE（%）
PM6∶dPBI（1⁃1）	0.93	10.13	68.79	6.48
PM6∶dPBI（1⁃2）	0.92	9.57	68.55	6.03
PM6∶dPBI（2⁃2）	0.92	4.36	61.51	2.47

Fig.7 2D GIWAXS patterns of PM6∶dPBIs blend films

Fig.8 1D linecuts of PM6∶dPBIs blend filmsThe corresponding 1D linecuts were extracted along the IP（dash lines） and OOP（solid lines） directions.

Fig.9 Photocurrent density(Jph) vs. effective bias(Veff) curves(A) and VOC and JSCvs. light intensity(C, D) of PM6∶dPBIs⁃based OSCs

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