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

Colloidal nanocrystals (NCs) of lead halide perovskites are considered highly promising materials that combine the exceptional optoelectronic properties of lead halide perovskites with tunability from quantum confinement. But can we assume that these materials are in the strong confinement regime? Here, we report an ultrafast transient absorption study of cubic CsPbBr3 NCs as a function of size, compared with the bulk material. For NCs above ∼7 nm edge length, spectral signatures are similar to the bulk material–characterized by state-filling with uncorrelated charges–but discrete new kinetic components emerge at high fluence due to bimolecular recombination occurring in a discrete volume. Only for the smallest NCs (∼4 nm edge length) are strong quantum confinement effects manifest in TA spectral dynamics; focusing toward discrete energy states, enhanced bandgap renormalization energy, and departure from a Boltzmann statistical carrier cooling. At high fluence, we find that a hot-phonon bottleneck effect slows carrier cooling, but this appears to be intrinsic to the material, rather than size dependent. Overall, we find that the smallest NCs are understood in the framework of quantum confinement, however for the widely used NCs with edge lengths >7 nm the photophysics of bulk lead halide perovskites are a better point of reference.

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.

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.