Side-chain Engineering of “Bridging” Polymer Acceptors with Donor/Acceptor Dual Similarity for High-performance Ternary Organic Solar Cells

doi:10.7503/cjcu20250324

Abstract

Abstract:

The morphology of active layer plays a critical role in determining the photovoltaic performance of organic solar cells（OSCs）. However， binary blends often suffer from suboptimal phase separation， which limits the efficiency of OSCs. Herein， two bridging polymer acceptors（PAs）—benzodithiophene-（2-ethylhexyl）oxy（BDT-C₂C₄） and benzodithiophene-octyloxy（BDT-C₈）—are designed and synthesized by combining a benzodithiophene（BDT） unit as the donor moiety［poly（｛4，8-bis［5-（2-ethylhexyl）-4-fluorothiophen-2-yl］benzo［1，2-b：4，5-b'］dithiophene-2，6-diyl｝）｛5，8-bis［4-（2-butyloctyl）thiophen-2-yl］dithieno［3'，2'：3，4］｝， D18］， and a 2，2′-（（2Z，2′Z）-｛［12，13-Bis（2-butyloctyl）-12，13-dihydro-3，9-dinonylthieno［2，3］thieno［3，2-b］pyrrolo［4，5-g］thieno［2，3-b］indole-2，10-diyl］bis（methanylylidene）｝bis（3-oxo-2，3-dihydro-1H-indene-2，1-diylidene））dimalononitrile（Y6） derivative as the acceptor moiety. BDT-C₂C₄ and BDT-C₈ are functionalized with （2-ethylhexyl）oxy and octyloxy side chains on the BDT unit， respectively. Both PAs show complementary absorption and cascaded energy levels with the donor D18 and the acceptor 2，2′-（（2Z，2′Z）-｛［12，13-bis（3-ethylheptyl）-3，9-diundecyl-12，13-dihydro-［1，2，5］thiadiazolo［3，4-e］thieno ［2″，3″∶4′，5′］thieno［2′，3′∶4，5］pyrrolo［3，2-g］thieno［2′，3′∶4，5］thieno［3，2-b］indole-2，10-diyl］bis（methaneylylidene）｝bis（5，6-difluoro-3-oxo-2，3-dihydro-1H-indene-2，1-diylidene））dimalononitrile（N3）， but BDT-C₈ exhibits better compatibility with D18 and N3 compared to BDT-C₂C₄. When incorporated as a third component into the D18∶N3 blend， both PAs improve the active layer morphology. In particular， the D18∶N3∶BDT-C₈blend shows significantly optimized morphology， featuring reduced phase separation and a fibrous network structure. As a result， the device based on D18∶N3∶BDT-C₈ achieves a power conversion efficiency of 18.18%， significantly higher than that of the device based on D18∶N3（ca.17.37%）. This work presents a compatibilizer strategy for optimizing blend morphology towards high-performance ternary OSCs.

Key words: Organic solar cell, Ternary strategy, Polymer acceptor, Active layer morphology

CLC Number:

O631.2

TrendMD:

LIU Miaomiao, FU Mengran, GAO Die, ZHANG Wanpeng, LIANG Ying, HE Yuanyuan, ZHAO Qiaoqiao, ZHAO Tingxing, LI Hongbo, DING Zicheng, HAN Yanchun. Side-chain Engineering of “Bridging” Polymer Acceptors with Donor/Acceptor Dual Similarity for High-performance Ternary Organic Solar Cells[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(4): 20250324.

Figures/Tables 8

Fig.1 Chemical structures of D18, N3, BDT⁃C2C4 and BDT⁃C8(A), the normalized UV⁃Vis absorption spectra of neat film(B) and blend film(C), and energy levels of D18, N3, BDT⁃C2C4 and BDT⁃C8(D)

Fig.2 Contact angles of water(A) and ethylene glycol(B) on the surface of D18, N3, BDT⁃C2C4 and BDT⁃C8 films and the Flory⁃Huggins interaction parameter between PAs and D18/N3(C)

Fig.3 TEM images of D18∶N3(A), D18∶N3∶BDT⁃C2C4(B), and D18∶N3∶BDT⁃C8 blend films(C)

Fig.4 Diagram of a conventional OSC device structure(A), J⁃V curves(B), and EQE curves(C) of the OSCs based on different active layers

Table 1 Photovoltaic parameters of the OSCs based on different active layers

Active layer	V_oc/V	J_sc/（mA∙cm^-2）	J $c a l *$ /（mA∙cm^-2）	FF（%）	PCE（%）
D18∶N3	0.833	27.39	26.84	76.20	17.37
D18∶N3∶BDT⁃C₂C₄	0.846	27.46	27.32	75.75	17.60
D18∶N3∶BDT⁃C₈	0.849	28.08	27.92	76.25	18.18

Table 1 Photovoltaic parameters of the OSCs based on different active layers

Active layer	V_oc/V	J_sc/（mA∙cm^-2）	J $c a l *$ /（mA∙cm^-2）	FF（%）	PCE（%）
D18∶N3	0.833	27.39	26.84	76.20	17.37
D18∶N3∶BDT⁃C₂C₄	0.846	27.46	27.32	75.75	17.60
D18∶N3∶BDT⁃C₈	0.849	28.08	27.92	76.25	18.18

Fig.5 Hole⁃only(A) and electron⁃only mobilities(B) of the different active layers measured using the SCLC method, and comparison of the hole and electron mobilities and their ratios in different active layers(C)a. D18∶N3; b. D18∶N3∶BDT-C2C4; c. D18∶N3∶BDT-C8.

Fig.6 TPC curves(A) and TPV curves(B) for the devices based on D18∶N3(a), D18∶N3∶BDT⁃C2C4(b) and D18∶N3∶BDT⁃C8(c)

Fig.7 Light stability of the devices

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