Abstract Although the field of polymer solar cell has seen much progress in device performance in the past few years, several limitations are holding back its further development. For instance, current high-efficiency (>9.0%) cells are restricted to material combinations that are based on limited donor polymers and only one specific fullerene acceptor. Here we report the achievement of high-performance (efficiencies up to 10.8%, fill factors up to 77%) thick-film polymer solar cells for multiple polymer:fullerene combinations via the formation of a near-ideal polymer:fullerene morphology that contains highly crystalline yet reasonably small polymer domains. This morphology is controlled by the temperature-dependent aggregation behaviour of the donor polymers and is insensitive to the choice of fullerenes. The uncovered aggregation and design rules yield three high-efficiency (>10%) donor polymers and will allow further synthetic advances and matching of both the polymer and fullerene materials, potentially leading to significantly improved performance and increased design flexibility.

A new copolymer PM6 based on fluorothienyl-substituted benzodithiophene is synthesized and characterized. The inverted polymer solar cells based on PM6 exhibit excellent performance with Voc of 0.98 V and power conversion efficiency (PCE) of 9.2% for a thin-film thickness of 75 nm. Furthermore, the single-junction semitransparent device shows a high PCE of 5.7%.

We develop an efficient fused-ring electron acceptor (ITIC-Th) based on indacenodithieno[3,2-b]thiophene core and thienyl side-chains for organic solar cells (OSCs). Relative to its counterpart with phenyl side-chains (ITIC), ITIC-Th shows lower energy levels (ITIC-Th: HOMO = −5.66 eV, LUMO = −3.93 eV; ITIC: HOMO = −5.48 eV, LUMO = −3.83 eV) due to the σ-inductive effect of thienyl side-chains, which can match with high-performance narrow-band-gap polymer donors and wide-band-gap polymer donors. ITIC-Th has higher electron mobility (6.1 × 10–4 cm2 V–1 s–1) than ITIC (2.6 × 10–4 cm2 V–1 s–1) due to enhanced intermolecular interaction induced by sulfur–sulfur interaction. We fabricate OSCs by blending ITIC-Th acceptor with two different low-band-gap and wide-band-gap polymer donors. In one case, a power conversion efficiency of 9.6% was observed, which rivals some of the highest efficiencies for single junction OSCs based on fullerene acceptors.

A new fluorinated nonfullerene acceptor, ITIC-Th1, has been designed and synthesized by introducing fluorine (F) atoms onto the end-capping group 1,1-dicyanomethylene-3-indanone (IC). On the one hand, incorporation of F would improve intramolecular interaction, enhance the push-pull effect between the donor unit indacenodithieno[3,2-b]thiophene and the acceptor unit IC due to electron-withdrawing effect of F, and finally adjust energy levels and reduce bandgap, which is beneficial to light harvesting and enhancing short-circuit current density (JSC ). On the other hand, incorporation of F would improve intermolecular interactions through CF···S, CF···H, and CF···π noncovalent interactions and enhance electron mobility, which is beneficial to enhancing JSC and fill factor. Indeed, the results show that fluorinated ITIC-Th1 exhibits redshifted absorption, smaller optical bandgap, and higher electron mobility than the nonfluorinated ITIC-Th. Furthermore, nonfullerene organic solar cells (OSCs) based on fluorinated ITIC-Th1 electron acceptor and a wide-bandgap polymer donor FTAZ based on benzodithiophene and benzotriazole exhibit power conversion efficiency (PCE) as high as 12.1%, significantly higher than that of nonfluorinated ITIC-Th (8.88%). The PCE of 12.1% is the highest in fullerene and nonfullerene-based single-junction binary-blend OSCs. Moreover, the OSCs based on FTAZ:ITIC-Th1 show much better efficiency and better stability than the control devices based on FTAZ:PC71 BM (PCE = 5.22%).

A π-conjugated Lewis base is introduced into perovskite solar cells, namely, indacenodithiophene end-capped with 1.1-dicyanomethylene-3-indanone (IDIC), as a multifunctional interlayer, which combines efficient trap-passivation and electron-extraction. Perovskite solar cells with IDIC layers yield higher photovoltages and photocurrents, and 45% enhanced efficiency compared with control devices without IDIC.

Solution-processable small molecules for organic solar cells have attracted intense attention for their advantages of definite molecular structures compared with their polymer counterparts. However, the device efficiencies based on small molecules are still lower than those of polymers, especially for inverted devices, the highest efficiency of which is <9%. Here we report three novel solution-processable small molecules, which contain π-bridges with gradient-decreased electron density and end acceptors substituted with various fluorine atoms (0F, 1F and 2F, respectively). Fluorination leads to an optimal active layer morphology, including an enhanced domain purity, the formation of hierarchical domain size and a directional vertical phase gradation. The optimal morphology balances charge separation and transfer, and facilitates charge collection. As a consequence, fluorinated molecules exhibit excellent inverted device performance, and an average power conversion efficiency of 11.08% is achieved for a two-fluorine atom substituted molecule.

A new strategy of platinum(II) complexation is developed to regulate the crystallinity and molecular packing of polynitrogen heterocyclic polymers, optimize the morphology of the active blends, and improve the efficiency of the resulting nonfullerene polymer solar cells (NF-PSCs). The newly designed s-tetrazine (s-TZ)-containing copolymer of PSFTZ (4,8-bis(5-((2-butyloctyl)thio)-4-fluorothiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-alt-3,6-bis(4-octylthiophen-2-yl)-1,2,4,5-tetrazine) has a strong aggregation property, which results in serious phase separation and large domains when blending with Y6 ((2,2'-((2Z,2'Z)-((12,13-bis(2-ethylhexyl)-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(methanylylidene))bis(5,6-difluoro-3-oxo-2,3-dihydro-1H-indene-2,1-diylidene))dimalononitrile)), and produces a power-conversion efficiency (PCE) of 13.03%. By adding small amount of Pt(Ph)2 (DMSO)2 (Ph, phenyl and DMSO, dimethyl sulfoxide), platinum(II) complexation would occur between Pt(Ph)2 (DMSO)2 and PSFTZ. The bulky benzene ring on the platinum(II) complex increases the steric hindrance along the polymer main chain, inhibits the polymer aggregation strength, regulates the phase separation, optimizes the morphology, and thus improves the efficiency to 16.35% in the resulting devices. 16.35% is the highest efficiency for single-junction PSCs reported so far.

Ternary organic solar cells are promising candidates for bulk heterojunction solar cells; however, improving the power conversion efficiency (PCE) is quite challenging because the ternary system is complicated on phase separation behavior. In this study, a ternary organic solar cell (OSC) with two donors, including one polymer (PTB7-Th), one small molecule (p-DTS(FBTTH2)2), and one acceptor (PC71BM), is fabricated. We propose the two donors in the ternary blend forms an alloy. A notable averaged PCE of 10.5% for ternary OSC is obtained due to the improvement of the fill factor (FF) and the short-circuit current density (Jsc), and the open-circuit voltage (Voc) does not pin to the smaller Voc of the corresponding binary blends. A highly ordered face-on orientation of polymer molecules is obtained due to the formation of an alloy structure, which facilitates the enhancement of charge separation and transport and the reduction of charge recombination. This work indicates that a high crystallinity and the face-on orientation of polymers could be obtained by forming alloy with two miscible donors, thus paving a way to largely enhance the PCE of OSCs by using the ternary blend strategy.

Abstract The development of organic photoactive materials, especially the newly emerging non-fullerene electron acceptors (NFAs), has enabled rapid progress in organic photovoltaic (OPV) cells in recent years. Although the power conversion efficiencies (PCEs) of the top-performance OPV cells have surpassed 16%, the devices are usually fabricated via a spin-coating method and are not suitable for large-area production. Here, we demonstrate that the fine-modification of the flexible side chains of NFAs can yield 17% PCE for OPV cells. More crucially, as the optimal NFA has a suitable solubility and thus a desirable morphology, the high efficiencies of spin-coated devices can be maintained when using scalable blade-coating processing technology. Our results suggest that optimization of the chemical structures of the OPV materials can improve device performance. This has great significance in larger-area production technologies that provide important scientific insights for the commercialization of OPV cells.