Barrierless Free Charge Generation in the High-Performance PM6:Y6 Bulk Heterojunction Non-Fullerene Solar Cell.
driving force
non-fullerene acceptors
organic solar cells
photocurrent generation
Journal
Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.)
ISSN: 1521-4095
Titre abrégé: Adv Mater
Pays: Germany
ID NLM: 9885358
Informations de publication
Date de publication:
Mar 2020
Mar 2020
Historique:
received:
18
10
2019
revised:
19
12
2019
pubmed:
25
1
2020
medline:
25
1
2020
entrez:
25
1
2020
Statut:
ppublish
Résumé
Organic solar cells are currently experiencing a second golden age thanks to the development of novel non-fullerene acceptors (NFAs). Surprisingly, some of these blends exhibit high efficiencies despite a low energy offset at the heterojunction. Herein, free charge generation in the high-performance blend of the donor polymer PM6 with the NFA Y6 is thoroughly investigated as a function of internal field, temperature and excitation energy. Results show that photocurrent generation is essentially barrierless with near-unity efficiency, regardless of excitation energy. Efficient charge separation is maintained over a wide temperature range, down to 100 K, despite the small driving force for charge generation. Studies on a blend with a low concentration of the NFA, measurements of the energetic disorder, and theoretical modeling suggest that CT state dissociation is assisted by the electrostatic interfacial field which for Y6 is large enough to compensate the Coulomb dissociation barrier.
Identifiants
pubmed: 31975446
doi: 10.1002/adma.201906763
doi:
Types de publication
Journal Article
Langues
eng
Sous-ensembles de citation
IM
Pagination
e1906763Subventions
Organisme : National Natural Science Foundation of China
ID : 21875286
Organisme : Swedish Energy Agency Energimyndigheten
ID : 2016-010174
Organisme : BMBF
ID : FKZ 13N13661
Organisme : BMBF
ID : FKZ 13N13656
Organisme : European Union Horizon 2020 research and innovation program
ID : 646259
Organisme : Energimyndigheten
ID : 2016-010174
Informations de copyright
© 2020 The Authors. Published by WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.
Références
Y. Cui, H. Yao, J. Zhang, T. Zhang, Y. Wang, L. Hong, K. Xian, B. Xu, S. Zhang, J. Peng, Z. Wei, F. Gao, J. Hou, Nat. Commun. 2019, 10, 2515.
X. Xu, K. Feng, Z. Bi, W. Ma, G. Zhang, Q. Peng, Adv. Mater. 2019, 31, 1901872.
L. Meng, Y. Zhang, X. Wan, C. Li, X. Zhang, Y. Wang, X. Ke, Z. Xiao, L. Ding, R. Xia, H.-L. Yip, Y. Cao, Y. Chen, Science 2018, 361, 1094.
J. Yuan, Y. Zhang, L. Zhou, G. Zhang, H.-L. Yip, T.-K. Lau, X. Lu, C. Zhu, H. Peng, P. A. Johnson, M. Leclerc, Y. Cao, J. Ulanski, Y. Li, Y. Zou, Joule 2019, 3, 1140.
S. Xiong, L. Hu, L. Hu, L. Sun, F. Qin, X. Liu, M. Fahlman, Y. Zhou, Adv. Mater. 2019, 31, 1806616.
J. Yuan, T. Huang, P. Cheng, Y. Zou, H. Zhang, J. L. Yang, S.-Y. Chang, Z. Zhang, W. Huang, R. Wang, D. Meng, F. Gao, Y. Yang, Nat. Commun. 2019, 10, 570.
D. Qian, Z. Zheng, H. Yao, W. Tress, T. R. Hopper, S. Chen, S. Li, J. Liu, S. Chen, J. Zhang, X.-K. Liu, B. Gao, L. Ouyang, Y. Jin, G. Pozina, I. A. Buyanova, W. M. Chen, O. Inganäs, V. Coropceanu, J.-L. Bredas, H. Yan, J. Hou, F. Zhang, A. A. Bakulin, F. Gao, Nat. Mater. 2018, 17, 703.
D. Baran, T. Kirchartz, S. Wheeler, S. Dimitrov, M. Abdelsamie, J. Gorman, R. S. Ashraf, S. Holliday, A. Wadsworth, N. Gasparini, P. Kaienburg, H. Yan, A. Amassian, C. J. Brabec, J. R. Durrant, I. McCulloch, Energy Environ. Sci. 2016, 9, 3783.
M. Azzouzi, T. Kirchartz, J. Nelson, Trends Chem. 2019, 1, 49.
R. S. Gurney, D. G. Lidzey, T. Wang, Rep. Prog. Phys. 2019, 82, 036601.
C. L. Braun, J. Chem. Phys. 1984, 80, 4157.
T. Unger, S. Wedler, F.-J. Kahle, U. Scherf, H. Bässler, A. Köhler, J. Phys. Chem. C 2017, 121, 22739.
J. Shi, A. Isakova, A. Abudulimu, M. van den Berg, O. K. Kwon, A. J. Meixner, S. Y. Park, D. Zhang, J. Gierschner, L. Lüer, Energy Environ. Sci. 2018, 11, 211.
J. Liu, S. Chen, D. Qian, B. Gautam, G. Yang, J. Zhao, J. Bergqvist, F. Zhang, W. Ma, H. Ade, O. Inganäs, K. Gundogdu, F. Gao, H. Yan, Nat. Energy 2016, 1, 16089.
S. Li, L. Zhan, C. Sun, H. Zhu, G. Zhou, W. Yang, M. Shi, C.-Z. Li, J. Hou, Y. Li, H. Chen, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 3073.
H. Yao, Y. Cui, D. Qian, C. S. Ponseca, A. Honarfar, Y. Xu, J. Xin, Z. Chen, L. Hong, B. Gao, R. Yu, Y. Zu, W. Ma, P. Chabera, T. Pullerits, A. Yartsev, F. Gao, J. Hou, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 7743.
R. Scholz, R. Luschtinetz, G. Seifert, T. Jägeler-Hoheisel, C. Körner, K. Leo, M. Rapacioli, J. Phys.: Condens. Matter 2013, 25, 473201.
A. Tang, B. Xiao, Y. Wang, F. Gao, K. Tajima, H. Bin, Z.-G. Zhang, Y. Li, Z. Wei, E. Zhou, Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704507.
H. Cha, C.-H. Tan, J. Wu, Y. Dong, W. Zhang, H. Chen, S. Rajaram, K. S. Narayan, I. McCulloch, J. R. Durrant, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801537.
K. Nakano, Y. Chen, B. Xiao, W. Han, J. Huang, H. Yoshida, E. Zhou, K. Tajima, Nat. Commun. 2019, 10, 2520.
H. Tamura, I. Burghardt, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 16364.
A. Y. Sosorev, D. Y. Godovsky, D. Y. Paraschuk, Phys. Chem. Chem. Phys. 2018, 20, 3658.
K. Vandewal, S. Albrecht, E. T. Hoke, K. R. Graham, J. Widmer, J. D. Douglas, M. Schubert, W. R. Mateker, J. T. Bloking, G. F. Burkhard, A. Sellinger, J. M. J. Fréchet, A. Amassian, M. K. Riede, M. D. McGehee, D. Neher, A. Salleo, Nat. Mater. 2014, 13, 63.
D. Di Nuzzo, L. J. A. Koster, V. S. Gevaerts, S. C. J. Meskers, R. A. J. Janssen, Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1400416.
S. Athanasopoulos, F. Schauer, V. Nádaždy, M. Weiß, F. Kahle, U. Scherf, H. Bässler, A. Köhler, Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1900814.
F. Gao, W. Tress, J. Wang, O. Inganäs, Phys. Rev. Lett. 2015, 114, 128701.
J. Zhang, A. C. Jakowetz, G. Li, D. Di, S. M. Menke, A. Rao, R. H. Friend, A. A. Bakulin, J. Mater. Chem. A 2017, 5, 11949.
M. Gerhard, A. P. Arndt, M. Bilal, U. Lemmer, M. Koch, I. A. Howard, Phys. Rev. B 2017, 95, 195301.
J. Kurpiers, T. Ferron, S. Roland, M. Jakoby, T. Thiede, F. Jaiser, S. Albrecht, S. Janietz, B. A. Collins, I. A. Howard, D. Neher, Nat. Commun. 2018, 9, 2038.
Y. Dong, H. Cha, J. Zhang, E. Pastor, P. S. Tuladhar, I. McCulloch, J. R. Durrant, A. A. Bakulin, J. Chem. Phys. 2019, 150, 104704.
J. Benduhn, K. Tvingstedt, F. Piersimoni, S. Ullbrich, Y. Fan, M. Tropiano, K. A. McGarry, O. Zeika, M. K. Riede, C. J. Douglas, S. Barlow, S. R. Marder, D. Neher, D. Spoltore, K. Vandewal, Nat. Energy 2017, 2, 17053.
F. D. Eisner, M. Azzouzi, Z. Fei, X. Hou, T. D. Anthopoulos, T. J. S. Dennis, M. Heeney, J. Nelson, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 6362.
E. Collado-Fregoso, S. N. Pugliese, M. Wojcik, J. Benduhn, E. Bar-Or, L. Perdigón-Toro, U. Hörmann, D. Spoltore, K. Vandewal, J. M. Hodgkiss, D. Neher, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 2329.
X.-K. Chen, V. Coropceanu, J.-L. Brédas, Nat. Commun. 2018, 9, 5295.
S. D. Dimitrov, M. Azzouzi, J. Wu, J. Yao, Y. Dong, P. S. Tuladhar, B. C. Schroeder, E. R. Bittner, I. McCulloch, J. Nelson, J. R. Durrant, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 4634.
M. S. Vezie, M. Azzouzi, A. M. Telford, T. R. Hopper, A. B. Sieval, J. C. Hummelen, K. Fallon, H. Bronstein, T. Kirchartz, A. A. Bakulin, T. M. Clarke, J. Nelson, ACS Energy Lett. 2019, 4, 2096.
M. A. Green, E. D. Dunlop, J. Hohl-Ebinger, M. Yoshita, N. Kopidakis, A. W. Y. Ho-Baillie, Prog. Photovoltaics Res. Appl. 2020, 28, 3.
K. Vandewal, J. Benduhn, V. C. Nikolis, Sustainable Energy Fuels 2018, 2, 538.
Y. Wang, D. Qian, Y. Cui, H. Zhang, J. Hou, K. Vandewal, T. Kirchartz, F. Gao, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801352.
J. Kurpiers, D. Neher, Sci. Rep. 2016, 6, 26832.
L. Onsager, Phys. Rev. 1938, 54, 554.
S. Albrecht, K. Vandewal, J. R. Tumbleston, F. S. U. Fischer, J. D. Douglas, J. M. J. Fréchet, S. Ludwigs, H. Ade, A. Salleo, D. Neher, Adv. Mater. 2014, 26, 2533.
O. Alqahtani, M. Babics, J. Gorenflot, V. Savikhin, T. Ferron, A. H. Balawi, A. Paulke, Z. Kan, M. Pope, A. J. Clulow, J. Wolf, P. L. Burn, I. R. Gentle, D. Neher, M. F. Toney, F. Laquai, P. M. Beaujuge, B. A. Collins, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702941.
S. Chandrabose, K. Chen, A. J. Barker, J. J. Sutton, S. K. K. Prasad, J. Zhu, J. Zhou, K. C. Gordon, Z. Xie, X. Zhan, J. M. Hodgkiss, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 6922.
A. J. Moulé, D. Neher, S. T. Turner, P3HT Revisited - From Molecular Scale to Solar Cell Devices, Springer, Berlin 2014, pp. 181-232.
T. M. Clarke, A. M. Ballantyne, J. Nelson, D. D. C. Bradley, J. R. Durrant, Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 4029.
A. A. Bakulin, Y. Xia, H. J. Bakker, O. Inganäs, F. Gao, J. Phys. Chem. C 2016, 120, 4219.
J. Bergqvist, C. Lindqvist, O. Bäcke, Z. Ma, Z. Tang, W. Tress, S. Gustafsson, E. Wang, E. Olsson, M. R. Andersson, O. Inganäs, C. Müller, J. Mater. Chem. A 2014, 2, 6146.
A. Melianas, V. Pranculis, Y. Xia, N. Felekidis, O. Inganäs, V. Gulbinas, M. Kemerink, Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602143.
S. N. Hood, I. Kassal, J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 4495.
Y. Puttisong, Y. Xia, X. Chen, F. Gao, I. A. Buyanova, O. Inganäs, W. M. Chen, J. Phys. Chem. C 2018, 122, 12640.
T. M. Burke, M. D. McGehee, Adv. Mater. 2014, 26, 1923.
A. Devižis, K. Meerholz, D. Hertel, V. Gulbinas, Chem. Phys. Lett. 2010, 498, 302.
A. C. Jakowetz, M. L. Böhm, J. Zhang, A. Sadhanala, S. Huettner, A. A. Bakulin, A. Rao, R. H. Friend, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 11672.
C. Deibel, T. Strobel, V. Dyakonov, Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 036402.
C. Groves, Energy Environ. Sci. 2013, 6, 3202.
S. Shoaee, S. Subramaniyan, H. Xin, C. Keiderling, P. S. Tuladhar, F. Jamieson, S. A. Jenekhe, J. R. Durrant, Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 3286.
M. Casalegno, R. Pastore, J. Idé, R. Po, G. Raos, J. Phys. Chem. C 2017, 121, 16693.
F.-J. Kahle, C. Saller, S. Olthof, C. Li, J. Lebert, S. Weiß, E. M. Herzig, S. Hüttner, K. Meerholz, P. Strohriegl, A. Köhler, J. Phys. Chem. C 2018, 122, 21792.
O. Rubel, S. D. Baranovskii, W. Stolz, F. Gebhard, Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 196602.
S. Hood, N. Zarrabi, P. Meredith, I. Kassal, A. Armin, J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 3863.
N. Felekidis, A. Melianas, M. Kemerink, Org. Electron. 2018, 61, 318.
H. Bässler, Phys. Status Solidi 1993, 175, 15.
A. Hofacker, D. Neher, Phys. Rev. B 2017, 96, 245204.
S. Roland, J. Kniepert, J. A. Love, V. Negi, F. Liu, P. Bobbert, A. Melianas, M. Kemerink, A. Hofacker, D. Neher, J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 1374.
J. Kniepert, A. Paulke, L. Perdigón-Toro, J. Kurpiers, H. Zhang, F. Gao, J. Yuan, Y. Zou, V. M. Le Corre, L. J. A. Koster, D. Neher, J. Appl. Phys. 2019, 126, 205501.
J. Kniepert, I. Lange, N. J. van der Kaap, L. J. A. Koster, D. Neher, Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1301401.
S. M. Hosseini, S. Roland, J. Kurpiers, Z. Chen, K. Zhang, F. Huang, A. Armin, D. Neher, S. Shoaee, J. Phys. Chem. C 2019, 123, 6823.
T. Kirchartz, J. Nelson, Phys. Rev. B 2012, 86, 165201.
G. Lakhwani, A. Rao, R. H. Friend, Annu. Rev. Phys. Chem. 2014, 65, 557.
H. Cha, G. Fish, J. Luke, A. Alraddadi, H. H. Lee, W. Zhang, Y. Dong, S. Limbu, A. Wadsworth, I. P. Maria, L. Francàs, H. L. Sou, T. Du, J. Kim, M. A. McLachlan, I. McCulloch, J. R. Durrant, Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1901254.
K. Jiang, Q. Wei, J. Y. L. Lai, Z. Peng, H. K. Kim, J. Yuan, L. Ye, H. Ade, Y. Zou, H. Yan, Joule 2019, 3, P3020.
C. Poelking, D. Andrienko, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 6320.
C. Poelking, M. Tietze, C. Elschner, S. Olthof, D. Hertel, B. Baumeier, F. Würthner, K. Meerholz, K. Leo, D. Andrienko, Nat. Mater. 2015, 14, 434.
M. Schwarze, W. Tress, B. Beyer, F. Gao, R. Scholz, C. Poelking, K. Ortstein, A. A. Günther, D. Kasemann, D. Andrienko, K. Leo, Science 2016, 352, 1446.
M. Schwarze, K. S. Schellhammer, K. Ortstein, J. Benduhn, C. Gaul, A. Hinderhofer, L. Perdigón-Toro, R. Scholz, J. Kublitski, S. Roland, M. Lau, C. Poelking, D. Andrienko, G. Cuniberti, F. Schreiber, D. Neher, K. Vandewal, F. Ortmann, K. Leo, Nat. Commun. 2019, 10, 2466.
C. Poelking, D. Andrienko, J. Chem. Theory Comput. 2016, 12, 4516.
G. D'Avino, L. Muccioli, F. Castet, C. Poelking, D. Andrienko, Z. G. Soos, J. Cornil, D. Beljonne, J. Phys.: Condens. Matter 2016, 28, 433002.
N. B. Kotadiya, A. Mondal, P. W. M. Blom, D. Andrienko, G.-J. A. H. Wetzelaer, Nat. Mater. 2019, 18, 1182.
D. Abbaszadeh, A. Kunz, N. B. Kotadiya, A. Mondal, D. Andrienko, J. J. Michels, G.-J. A. H. Wetzelaer, P. W. M. Blom, Chem. Mater. 2019, 31, 6380.
A. Karki, J. Vollbrecht, A. L. Dixon, N. Schopp, M. Schrock, G. N. M. Reddy, T. Nguyen, Adv. Mater. 2019, 31, 1903868.
H. Mangold, A. A. Bakulin, I. A. Howard, C. Kästner, D. A. M. Egbe, H. Hoppe, F. Laquai, Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 20329.
L. J. A. Koster, E. C. P. Smits, V. D. Mihailetchi, P. W. M. Blom, Phys. Rev. B 2005, 72, 085205.
J. Kniepert, I. Lange, J. Heidbrink, J. Kurpiers, T. J. K. Brenner, L. J. A. Koster, D. Neher, J. Phys. Chem. C 2015, 119, 8310.
M. Burgelman, P. Nollet, S. Degrave, Thin Solid Films 2000, 361, 527.