A nonfullerene-based polymer solar cell (PSC) that significantly outperforms fullerene-based PSCs with respect to the power-conversion efficiency is demonstrated for the first time. An efficiency of >11%, which is among the top values in the PSC field, and excellent thermal stability is obtained using PBDB-T and ITIC as donor and acceptor, respectively.

The open-circuit voltage of organic solar cells is usually lower than the values achieved in inorganic or perovskite photovoltaic devices with comparable bandgaps. Energy losses during charge separation at the donor–acceptor interface and non-radiative recombination are among the main causes of such voltage losses. Here we combine spectroscopic and quantum-chemistry approaches to identify key rules for minimizing voltage losses: (1) a low energy offset between donor and acceptor molecular states and (2) high photoluminescence yield of the low-gap material in the blend. Following these rules, we present a range of existing and new donor–acceptor systems that combine efficient photocurrent generation with electroluminescence yield up to 0.03%, leading to non-radiative voltage losses as small as 0.21 V. This study provides a rationale to explain and further improve the performance of recently demonstrated high-open-circuit-voltage organic solar cells. Key optoelectronic properties for donor and acceptor organic semiconductors are identified to obtain organic solar cells with reduced open-circuit voltage losses and high power conversion efficiencies.

A new conjugated polymer based on 5,7-bis(2-ethylhexyl)benzo[1,2-c:4,5-c′]dithiophene-4,8-dione, named as PBDTBDD, was designed, synthesized, and applied in polymer solar cells (PSCs). A power conversion efficiency (PCE) of 6.67% was obtained from the PBDTBDD/PC61BM-based PSC, which is a remarkable result for the PSCs using PC61BM as electron acceptor. The PBDTBDD/PC61BM-based device exhibits a narrow absorption band and excellent quantum efficiency in the range from 500 to 700 nm. Furthermore, PBDTBDD shows a strong aggregation effect in solution state, and the study indicates that although the temperature used in solution preparation has little influence on molecular orientation as well as crystallinity of the D/A blend, it plays an important role in forming proper domain size in the blend. This work provides a good example to reveal the correlation between the morphology of the blend films and the processing temperature of the solution preparation. Furthermore, the study in this work suggests an interesting and feasible approach to modulate domain size without changing crystallinity of the blend films in PSCs.

Although significant improvements have been achieved for organic photovoltaic cells (OPVs), the top-performing devices still show power conversion efficiencies far behind those of commercialized solar cells. One of the main reasons is the large driving force required for separating electron–hole pairs. Here, we demonstrate an efficiency of 14.7% in the single-junction OPV by using a new polymer donor PTO2 and a nonfullerene acceptor IT-4F. The device possesses an efficient charge generation at a low driving force. Ultrafast transient absorption measurements probe the formation of loosely bound charge pairs with extended lifetime that impedes the recombination of charge carriers in the blend. The theoretical studies reveal that the molecular electrostatic potential (ESP) between PTO2 and IT-4F is large, and the induced intermolecular electric field may assist the charge generation. The results suggest OPVs have the potential for further improvement by judicious modulation of ESP.

Abstract Manipulating charge generation in a broad spectral region has proved to be crucial for nonfullerene‐electron‐acceptor‐based organic solar cells (OSCs). 16.64% high efficiency binary OSCs are achieved through the use of a novel electron acceptor AQx‐2 with quinoxaline‐containing fused core and PBDB‐TF as donor. The significant increase in photovoltaic performance of AQx‐2 based devices is obtained merely by a subtle tailoring in molecular structure of its analogue AQx‐1. Combining the detailed morphology and transient absorption spectroscopy analyses, a good structure–morphology–property relationship is established. The stronger π–π interaction results in efficient electron hopping and balanced electron and hole mobilities attributed to good charge transport. Moreover, the reduced phase separation morphology of AQx‐2‐based bulk heterojunction blend boosts hole transfer and suppresses geminate recombination. Such success in molecule design and precise morphology optimization may lead to next‐generation high‐performance OSCs.

Abstract The voltage loss, determined by the difference between the optical gap ( E g ) and the open‐circuit voltage ( V OC ), is one of the most important parameters determining the performance of organic solar cells (OSCs). However, the variety of different methods used to determine E g makes it hard to fairly compare voltages losses among different material systems. In this paper, the authors discuss and compare various E g determination methods and show how they affect the detailed calculation of voltage losses, as well as predictions of the maximum achievable power conversion efficiency. The aim of this paper is to make it possible for the OSC community to compare voltage losses in a consistent and reasonable way. It is found that the voltage losses for strongly absorbed photons in state‐of‐the‐art OSCs are not much less than 0.6 V, which still must be decreased to further enhance efficiency.

High-performance inverted polymer solar cells (PSCs) with solution-processed titanium chelate TIPD as electron collecting layer are reported. The power conversion efficiency (PCE) of the inverted PSC with a-TIPD buffer layer with thermal annealing at 150 °C for 10 min reached 7.4% under the illumination of AM1.5, 100 mW/cm2, which is increased by 16% in comparison with that (6.4%) of the device in the conventional structure. The PCE of 7.4% is the highest among the inverted PSCs reported so far in the literature.

The use of non-fullerene acceptors (NFAs) in organic solar cells has led to power conversion efficiencies as high as 18%1. However, organic solar cells are still less efficient than inorganic solar cells, which typically have power conversion efficiencies of more than 20%2. A key reason for this difference is that organic solar cells have low open-circuit voltages relative to their optical bandgaps3, owing to non-radiative recombination4. For organic solar cells to compete with inorganic solar cells in terms of efficiency, non-radiative loss pathways must be identified and suppressed. Here we show that in most organic solar cells that use NFAs, the majority of charge recombination under open-circuit conditions proceeds via the formation of non-emissive NFA triplet excitons; in the benchmark PM6:Y6 blend5, this fraction reaches 90%, reducing the open-circuit voltage by 60 mV. We prevent recombination via this non-radiative channel by engineering substantial hybridization between the NFA triplet excitons and the spin-triplet charge-transfer excitons. Modelling suggests that the rate of back charge transfer from spin-triplet charge-transfer excitons to molecular triplet excitons may be reduced by an order of magnitude, enabling re-dissociation of the spin-triplet charge-transfer exciton. We demonstrate NFA systems in which the formation of triplet excitons is suppressed. This work thus provides a design pathway for organic solar cells with power conversion efficiencies of 20% or more.

Non-fullerene organic solar cells (NFOSCs) demonstrate record efficiencies exceeding 16%. In comparison with cells with the fullerene-based acceptor, the NFOSCs benefit from a longer wavelength absorption, which leads to a small highest occupied molecular orbital (HOMO) level offset. Here, we use several advanced transient investigation techniques, covering timescale from sub-ps to μs, to address all sequence of processes starting from photoexcitation of donors or acceptors to carrier extraction in several NFOSCs and cells with phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PCBM). Though small offsets result in higher open-circuit voltage, we show that at the same time, it limits cell performance because of inefficient hole transfer from excited acceptors to donors and enhanced geminate recombination. We demonstrate that 100 meV HOMO level offset and proper acceptor molecule structures are sufficient for efficient hole transfer (>70%) and for reduction of the geminate recombination losses down to about 20%. Subsequent extraction of unbound charge carriers in all NFOSCs is slightly faster than in cells with PCBM, while non-geminate carrier recombination causing additional losses is slightly slower in the best performing NFOSCs than in cells with PCBM.