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CF3-Functionalized Side Chains in Nonfullerene Acceptors Promote Electrostatic Interactions for Highly Efficient Organic Solar Cells
Journal of the American Chemical Society ( IF 14.4 ) Pub Date : 2024-12-18 , DOI: 10.1021/jacs.4c13471 Yongjoon Cho, Zhe Sun, Guoping Li, Dayong Zhang, Sangjin Yang, Tobin J. Marks, Changduk Yang, Antonio Facchetti
Journal of the American Chemical Society ( IF 14.4 ) Pub Date : 2024-12-18 , DOI: 10.1021/jacs.4c13471 Yongjoon Cho, Zhe Sun, Guoping Li, Dayong Zhang, Sangjin Yang, Tobin J. Marks, Changduk Yang, Antonio Facchetti
The advent of next-generation nonfullerene acceptors (NFAs) has propelled major advances in organic solar cells (OSCs). Here we report an NFA design incorporating CF3-terminated side chains having varying N-(CH2)n-CF3 linker lengths (n = 1, 2, and 3) which introduce new intermolecular interactions, hence strong modulation of the photovoltaic response. We report a systematic comparison and contrast characterization of this NFA series with a comprehensive set of chemical/physical techniques versus the heavily studied third-generation NFA, Y6, revealing distinctive and beneficial properties of this new NFA series. Single-crystal diffraction analyses reveal unusual two-dimensional mesh-like crystal structures, featuring strong interactions between the side chain CF3-terminal and NFA core F substituents. These atomistic and morphological features contribute to enhanced charge mobility and significantly enhanced photovoltaic performance. We show that varying the CF3-terminated side chain linker length strongly modulates light harvesting efficiency as well as charge recombination and the photovoltaic bandgap. The CF3-(CH2)2-based OSC demonstrates the most balanced performance metrics, achieving a remarkable 19.08% power conversion efficiency and an exceptional 80.09% fill-factor. These results imply that introducing CF3-terminated side chains into other OSC conjugated constituents may accelerate next-generation solar cell development.
中文翻译:
非富勒烯受体中的 CF3 官能化侧链促进了高效有机太阳能电池的静电相互作用
下一代非富勒烯受体 (NFA) 的出现推动了有机太阳能电池 (OSC) 的重大进步。在这里,我们报告了一种 NFA 设计,其中包含具有不同 N-(CH2)n-CF 3 接头长度(n = 1、2 和 3)的 CF3 封端侧链,这引入了新的分子间相互作用,因此对光伏响应进行了强调节。我们报告了该 NFA 系列与经过大量研究的第三代 NFA Y6 的系统比较和对比特征,揭示了该新 NFA 系列的独特和有益特性。单晶衍射分析揭示了不寻常的二维网状晶体结构,其特点是侧链 CF3 端和 NFA 核心 F 取代基之间存在很强的相互作用。这些原子和形态特征有助于增强电荷迁移率并显著提高光伏性能。我们表明,改变 CF3 端接侧链接头的长度强烈调节光收集效率以及电荷复合和光伏带隙。基于 CF3-(CH2)2 的 OSC 展示了最平衡的性能指标,实现了卓越的 19.08% 的功率转换效率和出色的 80.09% 填充因子。这些结果表明,将 CF3 端接侧链引入其他 OSC 共轭成分可能会加速下一代太阳能电池的开发。
更新日期:2024-12-18
中文翻译:
非富勒烯受体中的 CF3 官能化侧链促进了高效有机太阳能电池的静电相互作用
下一代非富勒烯受体 (NFA) 的出现推动了有机太阳能电池 (OSC) 的重大进步。在这里,我们报告了一种 NFA 设计,其中包含具有不同 N-(CH2)n-CF 3 接头长度(n = 1、2 和 3)的 CF3 封端侧链,这引入了新的分子间相互作用,因此对光伏响应进行了强调节。我们报告了该 NFA 系列与经过大量研究的第三代 NFA Y6 的系统比较和对比特征,揭示了该新 NFA 系列的独特和有益特性。单晶衍射分析揭示了不寻常的二维网状晶体结构,其特点是侧链 CF3 端和 NFA 核心 F 取代基之间存在很强的相互作用。这些原子和形态特征有助于增强电荷迁移率并显著提高光伏性能。我们表明,改变 CF3 端接侧链接头的长度强烈调节光收集效率以及电荷复合和光伏带隙。基于 CF3-(CH2)2 的 OSC 展示了最平衡的性能指标,实现了卓越的 19.08% 的功率转换效率和出色的 80.09% 填充因子。这些结果表明,将 CF3 端接侧链引入其他 OSC 共轭成分可能会加速下一代太阳能电池的开发。