An alloy-like model based on Y6 and its derivative BTP-M is constructed to fabricate ternary organic solar cells, leading to a best efficiency of 17.03%.

Morphology control is critical to achieve high efficiency CH3NH3PbI3 perovskite solar cells (PSC). The surface properties of the substrates on which crystalline perovskite thin films form are expected to affect greatly the crystallization and, thus, the resulting morphology. However, this topic is seldom examined in PSC. Here we developed a facile but efficient method of modifying the ZnO-coated substrates with 3-aminopropanioc acid (C3-SAM) to direct the crystalline evolution and achieve the optimal morphology of CH3NH3PbI3 perovskite film. With incorporation of the C3-SAM, highly crystalline CH3NH3PbI3 films were formed with reduced pin-holes and trap states density. In addition, the work function of the cathode was better aligned with the conduction band minimum of perovskite for efficient charge extraction and electronic coupling. As a result, the PSC performance remarkably increased from 9.81(±0.99)% (best 11.96%) to 14.25(±0.61)% (best 15.67%). We stress the importance of morphology control through substrate surface modification to obtain the optimal morphology and device performance of PSC, which should generate an impact on developing highly efficient PSC and future commercialization.

With the recent emergence of a new class of high-performance nonfullerene acceptors (NFAs), organic solar cells (OSCs) have entered a new phase of research featuring high power conversion efficiencies (PCEs). In this Perspective, we summarize the recent progress made from Y-series NFAs and the matched polymer donors and analyze the molecular design strategies for boosting device performance. We also perform a PCE prediction of OSCs and propose requirements for NFAs, aiming at a PCE of 20%, which is comparable to those of Si and perovskite-based counterparts. Finally, we assess three factors of efficiency, stability, and cost and outline the challenges facing OSCs and the future development directions of OSCs. This work is expected to provide valuable suggestions with a comprehensive view to advance practical application of OSCs.

Abstract Obtaining a finely tuned morphology of the active layer to facilitate both charge generation and charge extraction has long been the goal in the field of organic photovoltaics (OPVs). Here, a solution to resolve the above challenge via synergistically combining the layer‐by‐layer (LbL) procedure and the ternary strategy is proposed and demonstrated. By adding an asymmetric electron acceptor, BTP‐S2, with lower miscibility to the binary donor:acceptor host of PM6:BO‐4Cl, vertical phase distribution can be formed with donor‐enrichment at the anode and acceptor‐enrichment at the cathode in OPV devices during the LbL processing. In contrast, LbL‐type binary OPVs based on PM6:BO‐4Cl still show bulk‐heterojunction like morphology. The formation of the vertical phase distribution can not only reduce charge recombination but also promote charge collection, thus enhancing the photocurrent and fill factor in LbL‐type ternary OPVs. Consequently, LbL‐type ternary OPVs exhibit the best efficiency of 18.16% (certified: 17.8%), which is among the highest values reported to date for OPVs. The work provides a facile and effective approach for achieving high‐efficiency OPVs with expected morphologies, and demonstrates the LbL‐type ternary strategy as being a promising procedure in fabricating OPV devices from the present laboratory study to future industrial production.

Herein we present a new structural design of hole-transporting material, Trux-OMeTAD, which consists of a C3h Truxene-core with arylamine terminals and hexyl side-chains. This planar, rigid, and fully conjugated molecule exhibits excellent hole mobility and desired surface energy to the perovskite uplayer. Perovskite solar cells fabricated using the p-i-n architecture with Trux-OMeTAD as the p-layer, show a high PCE of 18.6% with minimal hysteresis.

Abstract Most nonfullerene acceptors developed so far for high‐performance organic solar cells (OSCs) are designed in planar molecular geometry containing a fused‐ring core. In this work, a new nonfullerene acceptor of DF‐PCIC is synthesized with an unfused‐ring core containing two cyclopentadithiophene (CPDT) moieties and one 2,5‐difluorobenzene (DFB) group. A nearly planar geometry is realized through the F···H noncovalent interaction between CPDT and DFB for DF‐PCIC. After proper optimizations, the OSCs with DF‐PCIC as the acceptor and the polymer PBDB‐T as the donor yield the best power conversion efficiency (PCE) of 10.14% with a high fill factor of 0.72. To the best of our knowledge, this efficiency is among the highest values for the OSCs with nonfullerene acceptors owning unfused‐ring cores. Furthermore, no obvious morphological changes are observed for the thermally treated PBDB‐T:DF‐PCIC blended films, and the relevant devices can keep ≈70% of the original PCEs upon thermal treatment at 180 °C for 12 h. This tolerance of such a high temperature for so long time is rarely reported for fullerene‐free OSCs, which might be due to the unique unfused‐ring core of DF‐PCIC. Therefore, the work provides new idea for the design of new nonfullerene acceptors applicable in commercial OSCs in the future.

In this review, we first highlighted recent progress in high-performance perovskite solar cells (PVSCs) with a discussion of the fabrication methods and PVSCs-based tandem solar cells. Furthermore, the stability issue of PVSCs and strategies to improve material and device stability have been discussed, and finally, a summary of the recent progress in lead-free perovskites has been presented.

Herein, we investigated a series of fullerene-free organic solar cells (OSCs) based on six different donor:acceptor (D:A) blends with varied highest occupied molecular orbital (HOMO) offsets from −0.05 to 0.21 eV. First, to verify the energetic compatibility of a specific D:A pair, especially for HOMO offsets, we established a simple method to estimate the hole transfer tendencies between D and A by using bilayer hole-only devices. It reveals that the asymmetrical diode effect of the bilayer hole-only devices can correlate with the FF and Jsc of the relevant OSCs. Second, to find out whether HOMO offset is the main restriction of hole transfer, we measured transient absorption spectra and examined the hole transfer behavior in the blends, revealing that the occurrence of hole transfer is independent of the HOMO offsets and ultrafast in the time scale of ≤4.6 ps for those blends with ≥0 eV HOMO offsets. In contrast, a negative HOMO offset can significantly slow down the hole transfer with a half-time of ∼400 ps. Furthermore, we compare the device parameters under varied light intensities and discover that the bimolecular recombination should be one of the main restrictions for high device performance. Surprisingly, small HOMO offsets of 0 and 0.06 eV can also enable high PCEs of 10.42% and 11.75% for blend 2 (PTQ10:HC-PCIC) and blend 3 (PBDB-TF:HC-PCIC), respectively. Overall, our work demonstrates not only the validity of high-performance OSCs operating at the near zero HOMO offsets but also the charge dynamic insights of these blends, which will help gain understanding on the further improvement of OSCs.

A novel electron acceptor, BTP-H2, demonstrates a high efficiency of 18.5% with a high V oc of 0.932 V. It also enables the ternary device to yield an efficiency of 19.2%, ranking the highest among single-junction organic photovoltaics.