Advanced MaterialsVolume 29, Issue 3 1604155 Communication Mapping Polymer Donors toward High-Efficiency Fullerene Free Organic Solar Cells Yuze Lin, Yuze Lin Department of Materials Science and Engineering, College of Engineering, Key Laboratory of Polymer Chemistry and Physics of Ministry of Education, Peking University, Beijing, 100871 China Department of Chemistry, Capital Normal University, Beijing, 100048 ChinaSearch for more papers by this authorFuwen Zhao, Fuwen Zhao Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190 ChinaSearch for more papers by this authorYang Wu, Yang Wu State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi'an Jiaotong University, Xi'an, 710049 ChinaSearch for more papers by this authorKai Chen, Kai Chen MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology and School of Chemical and Physical Sciences, Victoria University of Wellington, Wellington, 6010 New ZealandSearch for more papers by this authorYuxin Xia, Yuxin Xia Biomolecular and Organic Electronics, IFM, Linköping University, Linköping, 58183 SwedenSearch for more papers by this authorGuangwu Li, Guangwu Li Beijing Key Laboratory of Energy Conversion and Storage Materials, College of Chemistry, Beijing Normal University, Beijing, 100875 ChinaSearch for more papers by this authorShyamal K. K. Prasad, Shyamal K. K. Prasad MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology and School of Chemical and Physical Sciences, Victoria University of Wellington, Wellington, 6010 New ZealandSearch for more papers by this authorJingshuai Zhu, Jingshuai Zhu Department of Chemistry, Capital Normal University, Beijing, 100048 ChinaSearch for more papers by this authorLijun Huo, Lijun Huo Heeger Beijing Research and Development Center, School of Chemistry and Environment, Beihang University, Beijing, 100191 ChinaSearch for more papers by this authorHaijun Bin, Haijun Bin Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190 ChinaSearch for more papers by this authorZhi-Guo Zhang, Zhi-Guo Zhang Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190 ChinaSearch for more papers by this authorXia Guo, Xia Guo Laboratory of Advanced Optoelectronic Materials, College of Chemistry, Chemical Engineering and Materials Science, Soochow University, Suzhou, 215123 ChinaSearch for more papers by this authorMaojie Zhang, Maojie Zhang Laboratory of Advanced Optoelectronic Materials, College of Chemistry, Chemical Engineering and Materials Science, Soochow University, Suzhou, 215123 ChinaSearch for more papers by this authorYanming Sun, Yanming Sun Heeger Beijing Research and Development Center, School of Chemistry and Environment, Beihang University, Beijing, 100191 ChinaSearch for more papers by this authorFeng Gao, Feng Gao Biomolecular and Organic Electronics, IFM, Linköping University, Linköping, 58183 SwedenSearch for more papers by this authorZhixiang Wei, Zhixiang Wei National Center for Nanoscience and Technology, Beijing, 100190 ChinaSearch for more papers by this authorWei Ma, Wei Ma State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi'an Jiaotong University, Xi'an, 710049 ChinaSearch for more papers by this authorChunru Wang, Chunru Wang Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190 ChinaSearch for more papers by this authorJustin Hodgkiss, Justin Hodgkiss MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology and School of Chemical and Physical Sciences, Victoria University of Wellington, Wellington, 6010 New ZealandSearch for more papers by this authorZhishan Bo, Zhishan Bo Beijing Key Laboratory of Energy Conversion and Storage Materials, College of Chemistry, Beijing Normal University, Beijing, 100875 ChinaSearch for more papers by this authorOlle Inganäs, Olle Inganäs Biomolecular and Organic Electronics, IFM, Linköping University, Linköping, 58183 SwedenSearch for more papers by this authorYongfang Li, Yongfang Li Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190 China Laboratory of Advanced Optoelectronic Materials, College of Chemistry, Chemical Engineering and Materials Science, Soochow University, Suzhou, 215123 ChinaSearch for more papers by this authorXiaowei Zhan, Corresponding Author Xiaowei Zhan xwzhan@pku.edu.cn Department of Materials Science and Engineering, College of Engineering, Key Laboratory of Polymer Chemistry and Physics of Ministry of Education, Peking University, Beijing, 100871 ChinaE-mail: xwzhan@pku.edu.cnSearch for more papers by this author Yuze Lin, Yuze Lin Department of Materials Science and Engineering, College of Engineering, Key Laboratory of Polymer Chemistry and Physics of Ministry of Education, Peking University, Beijing, 100871 China Department of Chemistry, Capital Normal University, Beijing, 100048 ChinaSearch for more papers by this authorFuwen Zhao, Fuwen Zhao Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190 ChinaSearch for more papers by this authorYang Wu, Yang Wu State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi'an Jiaotong University, Xi'an, 710049 ChinaSearch for more papers by this authorKai Chen, Kai Chen MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology and School of Chemical and Physical Sciences, Victoria University of Wellington, Wellington, 6010 New ZealandSearch for more papers by this authorYuxin Xia, Yuxin Xia Biomolecular and Organic Electronics, IFM, Linköping University, Linköping, 58183 SwedenSearch for more papers by this authorGuangwu Li, Guangwu Li Beijing Key Laboratory of Energy Conversion and Storage Materials, College of Chemistry, Beijing Normal University, Beijing, 100875 ChinaSearch for more papers by this authorShyamal K. K. Prasad, Shyamal K. K. Prasad MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology and School of Chemical and Physical Sciences, Victoria University of Wellington, Wellington, 6010 New ZealandSearch for more papers by this authorJingshuai Zhu, Jingshuai Zhu Department of Chemistry, Capital Normal University, Beijing, 100048 ChinaSearch for more papers by this authorLijun Huo, Lijun Huo Heeger Beijing Research and Development Center, School of Chemistry and Environment, Beihang University, Beijing, 100191 ChinaSearch for more papers by this authorHaijun Bin, Haijun Bin Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190 ChinaSearch for more papers by this authorZhi-Guo Zhang, Zhi-Guo Zhang Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190 ChinaSearch for more papers by this authorXia Guo, Xia Guo Laboratory of Advanced Optoelectronic Materials, College of Chemistry, Chemical Engineering and Materials Science, Soochow University, Suzhou, 215123 ChinaSearch for more papers by this authorMaojie Zhang, Maojie Zhang Laboratory of Advanced Optoelectronic Materials, College of Chemistry, Chemical Engineering and Materials Science, Soochow University, Suzhou, 215123 ChinaSearch for more papers by this authorYanming Sun, Yanming Sun Heeger Beijing Research and Development Center, School of Chemistry and Environment, Beihang University, Beijing, 100191 ChinaSearch for more papers by this authorFeng Gao, Feng Gao Biomolecular and Organic Electronics, IFM, Linköping University, Linköping, 58183 SwedenSearch for more papers by this authorZhixiang Wei, Zhixiang Wei National Center for Nanoscience and Technology, Beijing, 100190 ChinaSearch for more papers by this authorWei Ma, Wei Ma State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi'an Jiaotong University, Xi'an, 710049 ChinaSearch for more papers by this authorChunru Wang, Chunru Wang Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190 ChinaSearch for more papers by this authorJustin Hodgkiss, Justin Hodgkiss MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology and School of Chemical and Physical Sciences, Victoria University of Wellington, Wellington, 6010 New ZealandSearch for more papers by this authorZhishan Bo, Zhishan Bo Beijing Key Laboratory of Energy Conversion and Storage Materials, College of Chemistry, Beijing Normal University, Beijing, 100875 ChinaSearch for more papers by this authorOlle Inganäs, Olle Inganäs Biomolecular and Organic Electronics, IFM, Linköping University, Linköping, 58183 SwedenSearch for more papers by this authorYongfang Li, Yongfang Li Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190 China Laboratory of Advanced Optoelectronic Materials, College of Chemistry, Chemical Engineering and Materials Science, Soochow University, Suzhou, 215123 ChinaSearch for more papers by this authorXiaowei Zhan, Corresponding Author Xiaowei Zhan xwzhan@pku.edu.cn Department of Materials Science and Engineering, College of Engineering, Key Laboratory of Polymer Chemistry and Physics of Ministry of Education, Peking University, Beijing, 100871 ChinaE-mail: xwzhan@pku.edu.cnSearch for more papers by this author First published: 10 November 2016 https://doi.org/10.1002/adma.201604155Citations: 347Read the full textAboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Share a linkShare onFacebookTwitterLinkedInRedditWechat Graphical Abstract Five polymer donors with distinct chemical structures and different electronic properties are surveyed in a planar and narrow-bandgap fused-ring electron acceptor (IDIC)-based organic solar cells, which exhibit power conversion efficiencies of up to 11%. Citing Literature Supporting Information As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Filename Description adma201604155-sup-0001-S1.pdf1.3 MB Supplementary Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article. Volume29, Issue3January 18, 20171604155 RelatedInformation

A polymer fibril assembly can dictate the morphology framework, in forming a network structure, which is highly advantageous in bulk heterojunction (BHJ) organic solar cells (OSCs). A fundamental understanding of how to manipulate such a fibril assembly and its influence on the BHJ morphology and device performance is crucially important. Here, a series of donor-acceptor polymers, PBT1-O, PBT1-S, and PBT1-C, is used to systematically investigate the relationship between molecular structure, morphology, and photovoltaic performance. The subtle atom change in side chains is found to have profound effect on regulating electronic structure and self-assembly of conjugated polymers. Compared with PBT1-O and PBT1-S, PBT1-C-based OSCs show much higher photovoltaic performance with a record fill factor (FF) of 80.5%, due to the formation of optimal interpenetrating network morphology. Such a fibril network strategy is further extended to nonfullerene OSCs using a small-molecular acceptor, which shows a high efficiency of 12.7% and an FF of 78.5%. The results indicate the formation of well-defined fibrillar structure is a promising approach to achieving a favorable morphology in BHJ OSCs.

Modest exciton diffusion lengths dictate the need for nanostructured bulk heterojunctions in organic photovoltaic (OPV) cells; however, this morphology compromises charge collection. Here, we reveal rapid exciton diffusion in films of a fused-ring electron acceptor that, when blended with a donor, already outperforms fullerene-based OPV cells. Temperature-dependent ultrafast exciton annihilation measurements are used to resolve a quasi-activationless exciton diffusion coefficient of at least 2 × 10–2 cm2/s, substantially exceeding typical organic semiconductors and consistent with the 20–50 nm domain sizes in optimized blends. Enhanced three-dimensional diffusion is shown to arise from molecular and packing factors; the rigid planar molecular structure is associated with low reorganization energy, good transition dipole moment alignment, high chromophore density, and low disorder, all enhancing long-range resonant energy transfer. Relieving exciton diffusion constraints has important implications for OPVs; large, ordered, and pure domains enhance charge separation and transport, and suppress recombination, thereby boosting fill factors. Further enhancements to diffusion lengths may even obviate the need for the bulk heterojunction morphology.

It is widely known that the miscibility between donor and acceptor is a crucial factor that affects the morphology and thus device performance of nonfullerene organic solar cells (OSCs). In this Letter, we show that incorporating a third component with lower miscibility and higher lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) level into the state-of-the-art PM6:Y6 system can significantly enhance the performance of devices. The best results of the ternary devices are achieved by adding a small molecular acceptor named ITCPTC (∼5% w/w), which significantly improves the power conversion efficiency (PCE) of the host system from 16.44% to 17.42%. The higher LUMO of the third component increases the open-circuit voltage (VOC), while the low miscibility enlarges the domains and leads to improved short-circuit current density (JSC) and fill factor (FF). The efficacy of this strategy is supported by using other nonfullerene third components including an asymmetric small molecule (N7IT) and a polymer acceptor (PF2-DTC), which play the same role as ITCPTC and boost the PCEs to 16.96% and 17.04%, respectively. Our approach can be potentially applied to a wide range of OSC material systems and should facilitate the development of the OSC field.

Fast and highly efficient intramolecular singlet exciton fission in a pentacene dimer, consisting of two covalently attached, nearly orthogonal pentacene units is reported. Fission to triplet excitons from this ground state geometry occurs within 1 ps in isolated molecules in solution and dispersed solid matrices. The process exhibits a sensitivity to environmental polarity and competes with geometric relaxation in the singlet state, while subsequent triplet decay is strongly dependent on conformational freedom. The near orthogonal arrangement of the pentacene units is unlike any structure currently proposed for efficient singlet exciton fission and may lead to new molecular design rules.

Abstract Relative to electron donors for bulk heterojunction organic solar cells (OSCs), electron acceptors that absorb strongly in the visible and even near‐infrared region are less well developed, which hinders the further development of OSCs. Fullerenes as traditional electron acceptors have relatively weak visible absorption and limited electronic tunability, which constrains the optical and electronic properties required of the donor. Here, high‐performance fullerene‐free OSCs based on a combination of a medium‐bandgap polymer donor (FTAZ) and a narrow‐bandgap nonfullerene acceptor (IDIC), which exhibit complementary absorption, matched energy levels, and blend with pure phases on the exciton diffusion length scale, are reported. The single‐junction OSCs based on the FTAZ:IDIC blend exhibit power conversion efficiencies up to 12.5% with a certified value of 12.14%. Transient absorption spectroscopy reveals that exciting either the donor or the acceptor component efficiently generates mobile charges, which do not suffer from recombination to triplet states. Balancing photocurrent generation between the donor and nonfullerene acceptor removes undesirable constraints on the donor imposed by fullerene derivatives, opening a new avenue toward even higher efficiency for OSCs.

In pursuing high stability and power conversion efficiency for organic photovoltaics (OPVs), a sequential deposition (SD) approach to fabricate active layers with p-i-n structures (where p, i, and n represent the electron donor, mixed donor:acceptor, and electron acceptor regions, respectively, distinctively different from the bulk heterojunction (BHJ) structure) has emerged. Here, we present a novel approach that by incorporating two polymer donors,

Abstract The substitution of SF 6 in gas-insulated electrical equipment has become a hot issue in the electrical field, and the research on the green medium C 4 F 7 N and its gas mixture has attracted much attention. In this paper, the molecular dynamics simulation method was used to analyze the C 4 F 7 N and CO 2 mixed insulating gas system in situ, and quantitatively simulate the concentration distribution, root mean square displacement, intermolecular interactions, and thermodynamic parameters of the insulating gases under the macroscopic conditions of different mixing ratios, pressures, and so on. The results show that by increasing the proportion of C 4 F 7 N at 298 K and 0.6 MPa, the mutual attraction between C 4 F 7 N and CO 2 molecules is enhanced, which leads to the decrease of the diffusion rate of the two gases, and the gas distribution is uniform without obvious delamination phenomenon, which reflects the good compatibility. At the same time, the increase of the mixing ratio of C 4 F 7 N increased the adiabatic and isothermal compression coefficient of the gas mixture at 0.6~0.8 MPa accordingly, and the gas mixture did not show liquefaction phenomenon. This study provides a certain basis for designing the mixedinsulating gas ratios to meet engineering needs.