High Quantum Efficiencies in Polymer Solar Cells at Energy Losses

Feb 6, 2015 - ... from the European Commission's Seventh Framework Programme (Grant ...... Niva A. Ran , John A. Love , Michael C. Heiber , Xuechen Ji...
0 downloads 0 Views 402KB Size
Subscriber access provided by SELCUK UNIV

Communication

High quantum efficiencies in polymer solar cells at energy losses below 0.6 eV Weiwei Li, Koen H. Hendriks, Alice Furlan, Martijn M. Wienk, and René A. J. Janssen J. Am. Chem. Soc., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/ja5131897 • Publication Date (Web): 06 Feb 2015 Downloaded from http://pubs.acs.org on February 8, 2015

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a free service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are accessible to all readers and citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

Journal of the American Chemical Society is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 5

High quantum efficiencies in polymer solar cells at energy losses below 0.6 eV Weiwei Li,†,‡,* Koen H. Hendriks,‡ Alice Furlan,‡ Martijn M. Wienk,‡ and René A. J. Janssen‡*  Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, CAS Key Laboratory of Organic Solids, Institute of Chemistry,  Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, P. R. China  Molecular Materials and Nanosystems, Institute of Complex Molecular Systems, Eindhoven University of Technolo‐ gy, P. O. Box 513, 5600 MB Eindhoven, The Netherlands and Dutch Institute for Fundamental Energy Research, De  Zaale 20, 5612 AJ Eindhoven, The Netherlands    Supporting Information Placeholder ABSTRACT: 

Diketopyrrolopyrrole‐based  conjugated  polymers  bridged  with  thiazole  units  and  different  donors  have  been  designed  for  polymer  solar  cells.  Quantum  efficiencies  above  50%  have  been  achieved  with  energy  loss  between optical band gap and open‐circuit voltage below 0.6  eV. 

the  synthesis  and  application  of  conjugated  polymers,  de‐ signed  to  have  a  low  photon  energy  loss,  and  demonstrate  efficient charge generation in PSCs where Eloss ≤ 0.6 eV.   0.9 0.8 0.7 0.6

Conjugated polymers have been intensively investigated as  electron donor in combination with fullerene acceptor deriv‐ atives  in  polymer  solar  cells  (PSCs).  Power  conversion  effi‐ ciencies  (PCEs)  above  10%  have  recently  been  obtained  in  1‐3 single junction solar cells.  One of the main reasons that the  performance of PSCs remains low compared to the best inor‐ ganic  solution  processed  thin  film  solar  cells,  such  as  perovskite solar cells,4,5 is the significant loss in energy of the  open‐circuit  voltage  (Voc)  relative  to  the  optical  band  gap  (Eg),  determined  from  the  onset  of  the  linear  absorption.6  The  minimum  photon  energy  loss  in  PSCs  defined  as  Eloss  =  7 Eg  −  qVoc,  has  previously  been  suggested  to  be  0.6  eV.  In  practice, the most efficient PCSs have Eloss = 0.7‐0.8 eV. The  trade‐off  is  that  when  reducing  Eloss  to  0.6  eV,  the  quantum  efficiency  for charge generation often drops dramatically. In  perovskite solar cells, Eloss is less than 0.5 eV.8  In PSCs the photon energy loss originates from a loss (~0.5  eV)  between  Voc  and  the  energy  of  the  charge  transfer  (CT)  state  and  from  the  energy  difference  between  the  singlet  state  (S1)  of  the  polymer  and  the  CT  state  (~0.1  eV).  While  the  minimum  value  for  the  latter  can  be  close  to  0.1  eV,  or  even less, the energy loss from S1 to CT state is ~0.2‐0.3 eV in  the  best  cells.  It  has  often  been  suggested  that  the  photon  energy  loss  may  assist  charge  separation  and  enhance  the  efficiency of photon conversion into free charges. In Figure 1  we show how the external quantum efficiency (EQE) relates  to Eloss for a range of successful polymers.   To further enhance the PCE of PSCs Eloss must be reduced,  while  keeping  a  high  quantum  efficiency  for  charge  genera‐ tion. Hence, polymers that approach and possibly fall below  9 the 0.6 eV limit are required, but are rare.  Here we present 

EQEmax

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Journal of the American Chemical Society

0.5 BT DPP II TPD TT Other This work

0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Energy loss (eV)

0.9

1.0

1.1

 

Figure 1. The maximum EQE within polymer absorption  band vs. the energy loss (Eloss = Eg − qVoc) for published  efficient conjugated polymer solar cells (see Supporting  Information,  SI,  Figure  S1  for  details).  The  lines  are  guides to the eye.   The most versatile design motif for tuning the optical band  gap and redox energies of conjugated polymers is incorporat‐ ing  electron  rich  and  electron  deficient  building  blocks  into  an  alternating  polymer  backbone.  Strong  electron  rich  and  electron deficient units lower the optical band gap, by reduc‐ ing  the  ionization  potential  (IP)  and  increasing  the  electron  affinity  (EA).  The  energy  difference  between  the  IP  of  the  donor  polymer  and  EA  of  the  fullerene  acceptor  largely  de‐ termine the Voc.   In our design (Figure 2), we selected diketopyrrolopyrrole  (DPP)  units  as  electron  deficient  unit.  DPPs  have  been  suc‐ cessfully  been  applied  in  efficient  near‐infrared  absorbing  PSCs  when  substituted  with  thiophene  on  the  3  and  6  posi‐ 10 tions.  As we are interested in materials that provide a high  Voc, it is important to have a high IP. This can be achieved by  replacing the electron rich thiophene (T) rings with thiazoles  (Tz)  (Figure  2).  The  more  electronegative  nitrogen  atom  of 

ACS Paragon Plus Environment

Journal of the American Chemical Society thiazole increases the IP and EA of the polymer considerably.  Recently, we reported on PDPP2TzT (Figure 2) where the EA  was  increased  to  such  an  extent  that  this  polymer  could  be  used as electron acceptor in all‐polymer solar cells.11 As elec‐ tron  donor  PDPP2TzT  gives  a  very  low  PCE  with  [70]PCBM  as  acceptor.  To  better  adjust  the  IP  and  EA  we  thought  to  replace  the  thiophene  ring  in  PDPP2TzT,  by  more  electron  rich  units  such  as  benzodithiophene  (BDT),  bithiophene  (2T),  and  dithienopyrrole  (DTP)  (Figure  2).  With  these  new  derivatives it is possible to make solar cells that still have Eloss  ≤  0.6  eV,  while  having  a  significant  quantum  efficiency  for  charge generation. The results show that it is possible to cre‐ ate  conjugated  polymers  for  efficient  charge  generation  in  PSCs even with energy loss