Abstract Low cost and printing friendly fabrication of organic solar cells (OSCs) require thick‐film devices with simply structured photoactive molecules. Thus, achieving high power conversion efficiency (PCE) for non‐fused ring acceptor‐based devices with high thickness is of great significance. Herein, by transforming traditional blend casting method to emerging sequential deposition (SD) method, D18:A4T‐16 active blend exhibits large efficiency improvement from 8.02% to 14.75% in 300 nm thick devices. Systematic morphological and photophysical characterizations showcase the effectiveness of SD processing in achieving sufficient donor/acceptor interpenetration and vertical stratification, which eliminates the dilemma of charge generation/transport in blend casting films. Meanwhile, D18 bottom layer is proven helpful in realizing fast evaporation of postdeposited poor solvent, resulting in naturally thickened active layer with well‐regulated crystallization. Furthermore, a new index to emphasize thick‐film devices based on nonfused ring acceptors, called figure‐of‐merit‐X (FoM‐X), has been defined. The SD processed D18:A4T‐16 devices herein, with 300 nm, 500 nm, and 800 nm thicknesses possess leading FoM‐X values.

Open AccessCCS ChemistryRESEARCH ARTICLES30 Jun 2024Molecular Skeletons Modification Induces Distinctive Aggregation Behaviors and Boosts the Efficiency Over 19% in Organic Solar Cells Hanjian Lai, Xue Lai, Yongwen Lang, Yongmin Luo, Liang Han, Yulin Zhu, Shilong Xiong, Xiangyu Shen, Yafei Ding, jiaying Wu, Gang Li and Feng He Hanjian Lai , Xue Lai , Yongwen Lang , Yongmin Luo , Liang Han , Yulin Zhu , Shilong Xiong , Xiangyu Shen , Yafei Ding , jiaying Wu , Gang Li and Feng He https://doi.org/10.31635/ccschem.024.202404482 SectionsSupplemental MaterialAboutPDF ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack Citations ShareFacebookTwitterLinked InEmail Understanding the molecular packing arrangement and aggregation behaviors of organic semiconductor materials is crucial in comprehending their unique properties, particularly in complex structures required for solution processing in organic photovoltaics. However, there has been limited focus on studying the diverse self-assembly behaviors induced by varying molecular skeletons. To address this issue, we designed and synthesized i-9R4Cl, i-7R4Cl, and 7R4Cl with nine- and seven-membered ring backbones, respectively. The single crystal structures revealed a standard H-type aggregate in i-9R4Cl, which is rare fully face-to-face packing in non-fullerene acceptors (NFAs). Conversely, i-7R4Cl exhibited a typical J-type aggregate, while 7R4Cl demonstrated a synergistic H/J-type aggregate as conventional Y-series acceptors. Moreover, it reveals a unique 3D network packing structures dominated by H-aggregation in i-9R4Cl, a linear packing structure in i-7R4Cl, and an elliptical 3D network packing structure in 7R4Cl. The GIWAXS tests confirmed that the packing arrangement in crystal structures was preserved in the film state. Despite i-9R4Cl's favorable properties in stacking, it achieved a lower power conversion efficiency (PCE) of 1.97% compared to the other two acceptors, which should be attributed to poor exciton separation and carrier recombination induced by the morphology of aggregation regulation. Surprisingly, the electron paramagnetic resonance indicates that i-9R4Cl possesses radical properties, when introduced as the third component in the PBDB-TF: BTIC-C9-4Cl based devices, it led to an enhancement in PCE from 18.42% to 19.08%, making it one of the highest efficiencies based on the BTIC-C9-4Cl system. It underscores how even subtle changes in molecular structure can significantly impact material properties. Our work aims to control the aggregation states of molecules, transitioning from standard H-type to J-type and to synergistic H/J-type aggregates, subsequently investigate the corresponding relationship between aggregation states, material properties, and devices performance. This is critical for designing new acceptor materials to overcome the bottlenecks in efficiency. Download figure Download PowerPoint Previous articleNext article FiguresReferencesRelatedDetails Issue AssignmentNot Yet AssignedSupporting Information Copyright & Permissions© 2024 Chinese Chemical Society Downloaded 0 times PDF downloadLoading ...

Abstract The electron‐deficient A 1 unit in A‐DA 1 D‐A structured acceptors is critical for optimizing the efficiency of organic solar cells (OSCs). Drawing inspiration from the high performance of the previously reported pyrido[2,3‐ b ]quinoxaline‐core acceptors, Py6, an isomer of Py1 is designed with a repositioned pyridine nitrogen atom, and further modified it by chlorinating Py6 to create Py7. Theoretical calculations show that chlorine incorporation strengthens intermolecular non‐covalent interactions and promotes the tighter molecular stacking, as confirmed by grazing‐incidence wide‐angle X‐ray scattering. Consequently, D18/Py7 device delivers the enhanced fill factor and short‐circuit current density, compared to D18/Py1 and D18/Py6 device. Notably, D18/Py7 device also yields a higher open‐circuit voltage of 0.871 V, significantly outperforming Py1 (0.764 V) and Py6 (0.723 V), due to the low nonradiative energy losses. Further studies reveal that introducing Cl directs hole density toward the central pyrido[3,4‐ b ]quinoxaline unit and decreases the charge transfer state ratio of D18/acceptor. This prompts triplet‐to‐singlet conversion and reduces non‐radiative recombination losses. Additionally, using a mutual donor–acceptor dilution strategy, the (D18:1wt.% Py7)/(Py7:1wt.% D18) device achieves an impressive efficiency of 19.60%. This work emphasizes the great potential of the Py‐series acceptors and demonstrates that chlorine incorporation effectively reduces non‐radiative losses.

Abstract Although encouraging progress in spin‐coated small‐area organic solar cells (OSCs), reducing efficiency loss caused by differences in film uniformity and morphology when up‐scaled to large‐area modules through meniscus‐guided coating is an important but unsolved issue. In this work, in‐depth research is conducted on the influence of both liquid and solid additives on the film uniformity and morphology of active layer in blade‐coated PM6:L8‐BO binary system. The study reveals that high boiling point liquid additives like 1,8‐diiodooctane (DIO) used in blade‐coating not only delay the volatilization of the solvent but also trigger the Marangoni flow in the same direction as capillary flow, causing excessive aggregation of acceptors, therefore destroying device performance. On the contrary, the solid additive 2‐Iododiphenyl ether (IDPE), which is first reported in this work, can preserve the mechanism for improving device performance while effectively suppressing the excessive aggregation of acceptors during the film‐forming process in blade‐coating from halogen‐free solvent of toluene, resulting in highly homogeneous large‐area active layer films. Consequently, organic solar modules with an impressive efficiency of 15.34% with a total module area of 18.90 cm 2 via blade‐coating based on PM6:L8‐BO are achieved. This study not only provides a deep understanding on the effect of liquid and solid additives during blade‐coating from the perspective of fluid mechanisms but also gives a pathway for the development of green solvent printed high‐efficiency OSCs.