A series of acceptor-donor-acceptor simple oligomer-like small molecules based on oligothiophenes, namely, DRCN4T-DRCN9T, were designed and synthesized. Their optical, electrical, and thermal properties and photovoltaic performances were systematically investigated. Except for DRCN4T, excellent performances were obtained for DRCN5T-DRCN9T. The devices based on DRCN5T, DRCN7T, and DRCN9T with axisymmetric chemical structures exhibit much higher short-circuit current densities than those based on DRCN6T and DRCN8T with centrosymmetric chemical structures, which is attributed to their well-developed fibrillar network with a feature size less than 20 nm. The devices based on DRCN5T/PC71BM showed a notable certified power conversion efficiency (PCE) of 10.10% under AM 1.5G irradiation (100 mW cm(-2)) using a simple solution spin-coating fabrication process. This is the highest PCE for single-junction small-molecule-based organic photovoltaics (OPVs) reported to date. DRCN5T is a rather simpler molecule compared with all of the other high-performance molecules in OPVs to date, and this might highlight its advantage in the future possible commercialization of OPVs. These results demonstrate that a fine and balanced modification/design of chemical structure can make significant performance differences and that the performance of solution-processed small-molecule-based solar cells can be comparable to or even surpass that of their polymer counterparts.

Three small molecules named DR3TBDTT, DR3TBDTT-HD, and DR3TBD2T with a benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene (BDT) unit as the central building block have been designed and synthesized for solution-processed bulk-heterojunction solar cells. Power conversion efficiencies (PCEs) of 8.12% (certified 7.61%) and 8.02% under AM 1.5G irradiation (100 mW cm–2) have been achieved for DR3TBDTT- and DR3TBDT2T-based organic photovoltaic devices (OPVs) with PC71BM as the acceptor, respectively. The better PCEs were achieved by improving the short-circuit current density without sacrificing the high open-circuit voltage and fill factor through the strategy of incorporating the advantages of both conventional small molecules and polymers for OPVs.

Small molecules, namely, DCAO3TBDT and DR3TBDT, with 2-ethylhexoxy substituted BDT as the central building block and octyl cyanoacetate and 3-ethylrhodanine as different terminal units with the same linkage of dioctyltertthiophene, have been designed and synthesized. The photovoltaic properties of these two molecules as donors and fullerene derivatives as the acceptors in bulk heterojunction solar cells are studied. Among them, DR3TBDT shows excellent photovoltaic performance, and power conversion efficiency as high as 7.38% (certified 7.10%) under AM 1.5G irradiation (100 mW cm–2) has been achieved using the simple solution spin-coating fabrication process, which is the highest efficiency reported to date for any small-molecule-based solar cells. The results demonstrate that structure fine turning could cause significant performance difference and with that the performance of solution-processed small-molecule solar cells can indeed be comparable with or even surpass their polymer counterparts.

Keldysh field theory, based on adiabatic assumptions, serves as a widely used framework for addressing nonequilibrium many-body systems. Nonetheless, the validity of such adiabatic assumption when addressing interacting Gibbs states remains a topic of contention. Interestingly, the knowledge of work statistics developed in nonequilibrium thermodynamics helps us to quantitatively explore this problem. Consequently, we deduce a universal theorem delineating the characteristics of evolutions that transition an initial Gibbs state to another. Based on this theorem, we analytically ascertain that adiabatic evolutions fail to transition a noninteracting Gibbs state to its interacting counterpart. However, the adiabatic evolution remains a superior approximation relative to its nonadiabatic counterparts. Numerics verifying our theory and predictions are also provided. Furthermore, our findings render insights into the Gibbs state preparation within the domain of quantum computation.