Molecular design of non-fullerene acceptors is of vital importance for high-efficiency organic solar cells. The branched alkyl chain modification is often regarded as a counter-intuitive approach, as it may introduce an undesirable steric hindrance that reduces charge transport in non-fullerene acceptors. Here we show the design and synthesis of a highly efficient non-fullerene acceptor family by substituting the beta position of the thiophene unit on a Y6-based dithienothiophen[3,2-b]-pyrrolobenzothiadiazole core with branched alkyl chains. It was found that such a modification to a different alkyl chain length could completely change the molecular packing behaviour of non-fullerene acceptors, leading to improved structural order and charge transport in thin films. An unprecedented efficiency of 18.32% (certified value of 17.9%) with a fill factor of 81.5% is achieved for single-junction organic solar cells. This work reveals the importance of the branched alkyl chain topology in tuning the molecular packing and blend morphology, which leads to improved organic photovoltaic performance. Molecular design of acceptor and donor molecules has enabled major progress in organic photovoltaics. Li et al. show that branched alkyl chains in non-fullerene acceptors allow favourable morphology in the active layer, enabling a certified device efficiency of 17.9%.

Abstract Electrocatalysis by atomic catalysts is a major focus of chemical and energy conversion effort. Although transition-metal-based bulk electrocatalysts for electrochemical application on energy conversion processes have been reported frequently, anchoring the stable transition-metal atoms (e.g. nickel and iron) still remains a practical challenge. Here we report a strategy for fabrication of ACs comprising only isolated nickel/iron atoms anchored on graphdiyne. Our findings identify the very narrow size distributions of both nickel (1.23 Å) and iron (1.02 Å), typical sizes of single-atom nickel and iron. The precision of this method motivates us to develop a general approach in the field of single-atom transition-metal catalysis. Such atomic catalysts have high catalytic activity and stability for hydrogen evolution reactions.

Abstract Currently, studies on organic two-dimensional (2D) materials with special optic-electronic properties are attracting great research interest. However, 2D organic systems possessing promising electrical transport properties are still rare. Here a highly crystalline thin film of a copper coordination polymer, Cu-BHT (BHT=benzenehexathiol), is prepared via a liquid–liquid interface reaction between BHT/dichloromethane and copper(II) nitrate/H 2 O. The morphology and structure characterization reveal that this film is piled up by nanosheets of 2D lattice of [Cu 3 (C 6 S 6 )] n , which is further verified by quantum simulation. Four-probe measurements show that the room temperature conductivity of this material can reach up to 1,580 S cm −1 , which is the highest value ever reported for coordination polymers. Meanwhile, it displays ambipolar charge transport behaviour and extremely high electron and hole mobilities (99 cm 2 V −1 s −1 for holes and 116 cm 2 V −1 s −1 for electrons) under field-effect modulation.

Thermally activated delayed fluorescence emitters with small energy gap between the triplet and singlet (ΔEST), TXO-PhCz and TXO-TPA, have been successfully synthesized by combining a hole-transporting TPA/PhCz moiety and an electron-transporting TXO moiety. Both compounds display efficient solid-state luminescence with an efficient up-conversion of the triplet to singlet. OLEDs based on them exhibt high performance up to 21.5%, which is among the best reported for OLEDs.

It is a highly desirable but difficult task to predict the molecular fluorescence quantum efficiency from first principles. The molecule in the excited state can undergo spontaneous radiation, conversion of electronic energy to nuclear motion, or chemical reaction. For relatively large molecules, it is impossible to obtain the full potential energy surfaces for the ground state and the excited states to study the excited-state dynamics. We show that, under harmonic approximation by considering the Duschinsky rotation effect, the molecular fluorescence properties can be quantitatively calculated from first principles coupled with our correlation function formalism for the internal conversion. In particular, we have explained the peculiar fluorescence behaviors of two isomeric compounds, cis,cis-1,2,3,4-tetraphenyl-1,3-butadiene and 1,1,4,4-tetraphenyl-butadiene, the former being nonemissive in solution and strongly emissive in aggregation or at low temperature, and the latter being strongly emissive in solution. The roles of low-frequency phenyl ring twist motions and their Duschinsky mode mixings are found to be crucial, especially to reveal the temperature dependence. As an independent check, we take a look at the well-established photophysics of 1,4-diphenylbutadiene for its three different conformers. Both the calculated radiative and nonradiative rates are in excellent agreement with the available experimental measurements.

Abstract The trade‐off between the open‐circuit voltage ( V oc ) and short‐circuit current density ( J sc ) has become the core of current organic photovoltaic research, and realizing the minimum energy offsets that can guarantee effective charge generation is strongly desired for high‐performance systems. Herein, a high‐performance ternary solar cell with a power conversion efficiency of over 18% using a large‐bandgap polymer donor, PM6, and a small‐bandgap alloy acceptor containing two structurally similar nonfullerene acceptors (Y6 and AQx‐3) is reported. This system can take full advantage of solar irradiation and forms a favorable morphology. By varying the ratio of the two acceptors, delicate regulation of the energy levels of the alloy acceptor is achieved, thereby affecting the charge dynamics in the devices. The optimal ternary device exhibits more efficient hole transfer and exciton separation than the PM6:AQx‐3‐based system and reduced energy loss compared with the PM6:Y6‐based system, contributing to better performance. Such a “two‐in‐one” alloy strategy, which synergizes two highly compatible acceptors, provides a promising path for boosting the photovoltaic performance of devices.

Abstract Organic electrodes are potential alternatives to current inorganic electrode materials for lithium ion and sodium ion batteries powering portable and wearable electronics, in terms of their mechanical flexibility, function tunability and low cost. However, the low capacity, poor rate performance and rapid capacity degradation impede their practical application. Here, we concentrate on the molecular design for improved conductivity and capacity, and favorable bulk ion transport. Through an in situ cross-coupling reaction of triethynylbenzene on copper foil, the carbon-rich frame hydrogen substituted graphdiyne film is fabricated. The organic film can act as free-standing flexible electrode for both lithium ion and sodium ion batteries, and large reversible capacities of 1050 mAh g −1 for lithium ion batteries and 650 mAh g −1 for sodium ion batteries are achieved. The electrode also shows a superior rate and cycle performances owing to the extended π-conjugated system, and the hierarchical pore bulk with large surface area.

A new acceptor-donor-acceptor-structured nonfullerene acceptor ITCC (3,9-bis(4-(1,1-dicyanomethylene)-3-methylene-2-oxo-cyclopenta[b]thiophen)-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d':2,3-d']-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']-dithiophene) is designed and synthesized via simple end-group modification. ITCC shows improved electron-transport properties and a high-lying lowest unoccupied molecular orbital level. A power conversion efficiency of 11.4% with an impressive V OC of over 1 V is recorded in photovoltaic devices, suggesting that ITCC has great potential for applications in tandem organic solar cells.

Graphdiyne (GDY), a novel kind of two-dimensional carbon allotrope consisting of sp- and sp(2)-hybridized carbon atoms, is found to be able to serve as the reducing agent and stabilizer for electroless deposition of highly dispersed Pd nanoparticles owing to its low reduction potential and highly conjugated electronic structure. Furthermore, we observe that graphdiyne oxide (GDYO), the oxidation form of GDY, can be used as an even excellent substrate for electroless deposition of ultrafine Pd clusters to form Pd/GDYO nanocomposite that exhibits a high catalytic performance toward the reduction of 4-nitrophenol. The high catalytic performance is considered to benefit from the rational design and electroless deposition of active metal catalysts with GDYO as the support.

The design and synthesis of highly efficient deep red (DR) and near-infrared (NIR) organic emitting materials with characteristic of thermally activated delayed fluorescence (TADF) still remains a great challenge. A strategy was developed to construct TADF organic solid films with strong DR or NIR emission feature. The triphenylamine (TPA) and quinoxaline-6,7-dicarbonitrile (QCN) were employed as electron donor (D) and acceptor (A), respectively, to synthesize a TADF compound, TPA-QCN. The TPA-QCN molecule with orange-red emission in solution was employed as a dopant to prepare DR and NIR luminescent solid thin films. The high doped concentration and neat films exhibited efficient DR and NIR emissions, respectively. The highly efficient DR and NIR organic light-emitting devices (OLEDs) were fabricated by regulating TPA-QCN dopant concentration in the emitting layers.