The Critical Role of Anode Work Function in Non-Fullerene Organic

Jan 17, 2018 - In this work, we demonstrated an effective method to modulate the p-type self-doping effect as well as the molecular energy level of an...
0 downloads 9 Views 467KB Size
Subscriber access provided by READING UNIV

Article

The Critical Role of Anode Work Function in NonFullerene Organic Solar Cells Unveiled by Counterionsize-controlled Self-doping Conjugated Polymers Yong Cui, Guoxiao Jia, Jie Zhu, Qian Kang, Huifeng Yao, Lili Lu, Bowei Xu, and Jianhui Hou Chem. Mater., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b04982 • Publication Date (Web): 17 Jan 2018 Downloaded from http://pubs.acs.org on January 18, 2018

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.

Chemistry of Materials 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 9 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

Chemistry of Materials

The Critical Role of Anode Work Function in Non-Fullerene Organic Solar Cells Unveiled by Counterion-size-controlled Self-doping Conjugated Polymers Yong Cui,†, ‡  Guoxiao Jia,§ Jie Zhu,∥ Qian Kang,⊥  Huifeng Yao,†, ‡ Lili Lu,†, ‡ Bowei Xu,*, † and  Jianhui Hou*, †, ‡  †

State Key Laboratory of Polymer Physics and Chemistry, Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, Insti‐ tute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China. 



University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China. 

§

School of Chemistry and Biology Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China. 



Institute of Material Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, P. R. China. 



Department of Chemistry, Northeast Normal University, Changchun, Jilin 130024. 

ABSTRACT: In this work, we demonstrated an effective method to modulate the p‐type self‐doping effect as well as the  molecular energy level of an anionic conjugated polymer, namely PCP‐x (x= H, Li, Na, K, Cs) by changing the counterions,  and hence developed a series of anode interlayer materials for non‐fullerene organic solar cells (NF‐OSCs). With the de‐ creasing  cation  radius,  self‐doping  effect  of  PCP‐x  can  be  enhanced  and  hence  the  work  function  (WF)  of  the  PCP‐x‐ modified anodes can be tuned from 4.78 to 5.11 eV. The photovoltaic performance of NF‐OSCs based on J52‐2F:IT‐4F active  layer was significantly affected by the WF of the anodes, and a PCE of 12.8% could be achieved by using the PCP‐H‐modified  ITO anodes. Furthermore, the PCP‐x‐modified anodes were used to fabricate NF‐OSCs with different active layers, includ‐ ing PBDTTT‐E‐T:IEICO and PBDB‐T‐2F:IT‐4F. It was found that the energetic offsets between WF of the anodes and ioni‐ zation potential (IP) of the donors should be controlled below 0.1 eV to minimize the loss in photovoltaic performance.  This work provides not only an effective method for synthesizing a series of p‐type interlayer materials with tunable WF  but also an insight on the critical importance of developing anode interlayer materials with high WF. 

INTRODUCTION  Bulk‐heterojunction (BHJ) organic solar cell (OSC),1‐5 in  which  a  photoactive  layer  composing  of  a  blend  film  of  electron donor and acceptor sandwiched between cathode  and  anode,  has  attracted  extensive  attention  in  the  past  decades.6‐9  In  OSCs,  the  contact  between  the  electrodes  and photoactive layers can be optimized by employing in‐ terlayers  so  as  to  facilitate  carrier  collection.  It  has  been  well recognized that the development of the interlayer ma‐ terials  has  played  a  critical  role  in  advancing  the  power  conversion efficiencies (PCEs) of OSCs. In the past decades,  many  types  of  materials  including  metals  with  various  work  functions  (WFs),10,  11  metal  oxides,12‐15  conjugated  polyelectrolytes16‐20 and organic compounds21‐23 have been  successfully applied as the interlayers in OSCs.  For the interlayer materials, the WF modulation is a  critical issue, because the WFs of anode and cathode  need  to  be  tuned  to  match  the  ionization  potentials  (IPs) of the donors and the electron affinities (EAs) of  the  acceptors,  respectively.  For  anode  modification,  the  applications  of  the  interlayers  with  relatively 

higher WFs are helpful to improve hole collection and  therefore to enhance the PCEs of the OSCs. For exam‐ ple, Marks et al. utilized NiO to modify the ITO anode  and  get  a  WF  of  5.4  eV,  by  which  VOC  of  the  device  could be improved by 14 mV;24 Heeger et al. employed  CPEPh‐Na to get an optimized WF of 5.2 eV, which led  to a relatively higher FF of 0.69.25 Recently, the rapid  progress  in  non‐fullerene  (NF)  acceptors26‐31  provides  great opportunities to  improve  the  PCEs  and  also  raises  new  requirements  for  the  interlayer  materials.  In the view of energy level, in the highly efficient NF‐ OSCs,  although  the  NF‐acceptors  often  have  similar  electron  affinities  (EAs)  as  the  mostly  used  fullerene  acceptors, the donors usually possess higher IPs than  those of the donors used in the fullerene‐based coun‐ terparts.32‐35 In principle, the high IPs of the donor will  enlarge  the  energy  offsets  at  the  anode/photoactive  layer interface, giving rise to large interfacial barriers  and  hence  affecting  device  performance.  However,  this topic has been seldom studied. 

ACS Paragon Plus Environment

Chemistry of Materials 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

Page 2 of 9

Figure 1. (a) Molecular structures of PCP‐x. (b) Normalized absorption spectra of PCP‐x in solid film. (c) UPS spectra  of the ITO electrode modified with PCP‐x. (d) Schematic illustration representing self‐doping effect.  A series of devices based on the anode interlayer materi‐ effect can be enhanced, which greatly  changes electronic  als with gradually tuned WFs will be desired to investigate  energy levels of PCP‐x. When PCP‐x are used to fabricate  this interesting topic. Although many anode interlayer ma‐ the anode interlayers onto ITO, the WFs of the anodes can  terials  with  different  WFs  are  accessible,  the  diversity  of  be  tuned  from  4.78  to  5.11  eV.  Then,  we  used  the  PCP‐x‐ their chemical structures may cause unpredicted influence  modified  ITO  substrates  to  fabricate  the  NF‐OSCs  based  on photovoltaic performance that cannot be excluded from  on a polymer donor (ploy[4‐(5‐(4,8‐bis(5‐(2‐ethylhexyl)‐4‐ fluorothiophen‐2‐yl)benzo[1,2‐b:4,5‐b']dithiophen‐2‐ the effect of their WFs. Recently, we reported a self‐doped  yl)thiophen‐2‐yl)‐5,6‐difluoro‐2‐(2‐hexyldecyl)‐7‐(thio‐ p‐type  conductive  polymer,  namely  PCP‐Na,  for  making  phen‐2‐yl)‐2H‐benzo[d][1,2,3]triazole],  J52‐2F)38  and  a  the anode interlayer in a highly efficient NF‐OSC.36 In this  polymer, the self‐doping effect is originated from the po‐ non‐fullerene acceptor (IT‐M),39 and found that photovol‐ larization of its conjugated backbone by counterion.37 We  taic  performance  of  the  devices  could  be  significantly  af‐ fected by the WFs of the anodes. The PCP‐H‐modified ITO  infer that the WF of this polymer can be tuned by varying  has the highest WF and the corresponding device exhibits  the counterion without changing its conjugated backbone  an  outstanding  PCE  of  12.8%  with  a  high  VOC  of  0.96  V.  and hence a set of anode interlayer materials with very sim‐ ilar chemical structures but different WFs may be obtained.   However, with decrease of the WF, VOC of the devices are  reduced. Furthermore, PCP‐x are used in the devices based  In  this  work,  we  demonstrate  an  effective  method  to  on the other two photoactive layers, and the results clearly  modulate  the  p‐type  self‐doping  effect  by  changing  the  indicate  that  when  the  WF  of  the  anode  is  similar  to  or  counterions in an anionic conjugated polymer with alkyl‐ higher than ionization potential (IP) of the polymer donor,  sulfonate side groups and obtain five interlayer materials,  the five PCP‐x polymers are equally efficient serving as the  namely PCP‐x (x= H, Li, Na, K, Cs). As expected, we found  that with the decrease of the cation radius, the self‐doping 

Figure  2.  (a)  EPR  curves  of  interfacial  materials.  (b)  I–V  characteristics  of  electrical  conductivity  measurements. 

ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 9 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

Chemistry of Materials

Table 1.  Summary of work function, spin density and conductivity of interfacial materials relying on  the water.  Interfacial layer  PCP‐H 

Work function (eV) 

Spin density (/mol) 

Conductivity (S/cm) 

5.11 





PCP‐Na 

5.03  4.98 

3.04 × 1022  4.24 × 1022 

1.31 × 10‐3  2.78 × 10‐3 

PCP‐K 

4.87 

2.43 × 1022 

2.12 × 10‐4 

PCP‐Cs 

4.78 

2.31 × 1022 

1.20 × 10‐8 

PCP‐Li 

Table  2.  Devices  parameters  using  different  anode  interfacial  layer.  The  device  structure  is  ITO/interfacial  layer/J52‐2F:IT‐M/PFN‐Br/Al.  Interfacial layer 

VOC 

JSC (mA/cm2) 

Jcal (mA/cm2) a) 

FF 

PCE (%) b) 

PCP‐H 

0.96 

18.4  

18.2 

0.730  

12.8 (12.4 ± 0.3)  

PCP‐Li 

0.93 

18.3  

17.9 

0.698  

11.8 (11.2 ± 0.4) 

PCP‐Na 

0.91  

18.0  

17.7 

0.672  

11.0 (10.4 ± 0.4) 

PCP‐K  PCP‐Cs 

0.87 

17.5  

17.1 

0.654  

9.99 (9.41 ± 0.43) 

0.84 

17.1 

16.6 

0.646  

9.10 (8.46 ± 0.47) 

a) J  from the EQE curves.  cal b) The average PCEs were obtained from more than 10 independent devices.

 

anode interlayer; however, if the WF is lower than the IP,  a great drop in VOC will be observed. 

RESULTS AND DISCUSSION  The chemical structures of the five conjugated polymers  PCP‐x are shown in Figure 1a. PCP‐Na, PCP‐K and PCP‐Cs  are synthesized according to the reported method through  palladium  catalyzed  Suzuki  coupling  reactions  of  bi‐ phenylborate  and  4H‐cyclopenta‐[2,1‐b;3,4‐b’]‐dithio‐ phene  (CPDT)  units  modified  with  different  propyl  sul‐ fonate group.36, 40 PCP‐Li is synthesized by dialyzing PCP‐ Na  in  0.1  M  LiCl  methanol  solution  as  lithium  sulfonate  cannot  be  directly  introduced  on  the  side  chain  of  the  CPDT unit by using our synthetic method because of the  weak  basicity  nature  of  LiOH.  PCP‐H  was  prepared  by  acidifying PCP‐Na with diluted hydrochloric acid. The de‐ tailed  synthetic  methods  are  provided  in  the  Supporting  Information  (SI).  The  alkyl  sulfonate  groups  endow  the  polymers with good water/methanol solubility except for  PCP‐H which can only be dissolved in dimethyl sulfoxide  (DMSO).  The UV/Vis‐NIR absorption spectra of the five polymers  as  solid  films  are  provided  in  Figure  1b.  All  the  polymers  exhibit  similar  absorption  profiles  with  the  absorption  maxima at 478 nm, which are attributed to the π‐π* tran‐ sition  of  polymer  backbone.  The  broad  absorption  tails  from 540 to 900 nm with the peaks at approximately 805  nm are ascribed to polaronic transition (λpolaron),41‐43 reveal‐ ing the self‐doping effect of the five polymers. Moreover,  the fraction of  the polaronic  transition  to π‐π*  transition  gradually increases by the order of PCP‐Cs, ‐K, ‐Na, ‐Li and  ‐H, indicating that the self‐doping effect is enhanced by re‐ ducing the radius of the counterions. In PCP‐x, the conju‐ gated backbones are polarized by the cations, leading to p‐

doping  of  the  polymers.  The  counterion  with  smaller  ra‐ dius  has  stronger  electrostatic  interaction  with  the  poly‐ mer backbone, resulting in the higher p‐doping effect, and  hence the p‐doping effects in these polymers follow the re‐ verse order as the cation radius.   Ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) measure‐ ment was carried out to evaluate the work function (WF)  of the ITO electrodes modified by the polymers. As shown  in  Figure  1c,  the  WF  of  the  ITO  electrode  modified  with  PCP‐H, ‐Li, ‐Na, ‐K and ‐Cs are 5.11, 5.03, 4.98, 4.87 and 4.78  eV,  respectively,  as  determined  by  the  Ecutoff  at  the  lower  binding  energy  side.  Clearly,  the  evolution  of  the  WF  is  consistent  with  the  doping  effect  as  observed  in  UV‐vis  measurement.   Electron  spin  resonance  (EPR)  spectroscopy  was  per‐ formed to investigate the polaron populations of the PCP‐ x  in  aqueous  solution.  Unfortunately,  the  spin  density  of  PCP‐H could not be measured for comparison because of  its poor solubility in water. As shown in Figure 2a, for the  four solutions, the sharp and strong signals confirm the ex‐ istence of delocalized polaron in these polymers. The un‐ paired  spin  densities  of  the  samples  are  determined  by  double integration of the ESR signals and found to be 3.04  × 1022, 4.24 × 1022, 2.43 × 1022 and 2.31 × 1022 for 1 mol sample  of  PCP‐Li,  ‐Na,  ‐K  and  ‐Cs,  respectively.  The  variation  in  the polaron densities generally coincided with the counter‐ ion  radius  in  PCP‐x  except  for  PCP‐Li.  We  infer  that  the  low polaron density in  the PCP‐Li solution should be as‐ cribed to its low inoization effect in water, which is a com‐ mon nature of litium salts. Since the electrical conductivity  of  a  conductive  polymer  is  determined  the  population  of  polaron, the conductivities of the polymers were measured  using the two‐point probe method under a bias voltage of  50 V. As shown in Figure 2d, the conductivities of PCP‐Li, 

ACS Paragon Plus Environment

Chemistry of Materials 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

Page 4 of 9

Figure 3. (a) The energy level diagram of interlayers and polymer donors. (b) J‐V characteristics and (c) EQE spectra of J52‐ 2F:IT‐M devices modified with PCP‐H, PCP‐Li, PCP‐Na, PCP‐K and PCP‐Cs. 

Figure  4.  The  dependence  of  device  performance  on  the  dE  (dE  =  IP‐WF)  of  interfacial layer.  PCP‐Na, PCP‐K and PCP‐Cs are estimated to be 1.31 × 10−3,  2.78 × 10−3, 2.12 × 10−4 and 1.2 × 10−8 S/cm, respectively. The  conductivity is consistent with the EPR result.  Atomic force microscopy (AFM) and contact angle (CA)  measurements were carried out to investigate the rough‐ ness  and  wettability  of  the  ITO  surfaces  modified  with  PCP‐x. As shown in Figure S9, all the PCP‐x‐modified ITO  substrates exhibited similar surface morphology with root  mean square roughness (Rq) values of ca. 3 nm, which are  smoother than the bare ITO. The CA of chlorobenzene (CB)  on the PCP‐x‐modified ITO surfaces is approximately 4.7o,  indicating that the wettability of the surfaces are suitable  for  device  fabrication.  Moreover,  surface  energy  for  each  PCP‐x‐modified  ITO  substrate  was  calculated  with  eth‐ ylene glycol and tricresyl phosphate liquid by using the Wu  model.44,  45  As  listed  in  Table  S1,  the  surface  energies  of  PCP‐x‐modified  ITO  substrates  showed  slight  increase  from PCP‐H to PCP‐Cs in the range of 47.5—50.2 mJ/m2. 

The  surface  energy  of  the  ITO/PCP‐x  substrates  is  very  similar with that of the ITO/PEDOT:PSS.   We use the PCP‐x modified ITO substrates to make the  OSCs with a device architecture of ITO/PCP‐x/photoactive  layer/PFN‐Br/Al  to  evaluate  the  influence  of  the  WF  change on device performance. Here, the blend based on a  polymer donor (J52‐2F) and a NF acceptor (IT‐M) is used  as  the  photoactive  material.  All  of  the  devices  were  pre‐ pared in parallel through the same procedure. For conven‐ ience, the devices modified by PCP‐H, ‐Li, ‐Na, ‐K and ‐Cs  are named as D‐H, D‐Li, D‐Na, D‐K and D‐Cs, respectively,  and the device modified by PEDOT:PSS was also fabricated  as control. Figure 3b and c shows the J‐V curves of the OSCs  under the illumination of AM 1.5 G, 100 mW/cm2 and Table  2 lists the corresponding photovoltaic parameters and also  the statistical data. The OSC modified with PCP‐H exhib‐ ited the best photovoltaic performance with a PCE of 12.8%,  a VOC of 0.96 V, JSC of 18.4 mA/cm2 and FF of 0.73, which 

ACS Paragon Plus Environment

Page 5 of 9 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

Chemistry of Materials

are comparable to the control device. The external quan‐ tum efficiency (EQE) of the devices are provided in Figure  3c. The integral current density of this best performing de‐ vice is 18.2 mA/cm2, which is coincident with the value ob‐ tained  from  the  J‐V  measurements.  Overall,  these  results  indicate PCP‐H is a promising anode interlayer material for  this NF‐OSC. 

parison  with  the  PEDOT:PSS‐modified  device,  all  photo‐ voltaic parameters for the D‐H device drop simultaneously  (see Table S1). The D‐Cs device gives a VOC of 0.61 V, a JSC  of 19.3 mA/cm2 and a FF of 0.62, resulting in a PCE of 7.32%.  Very clearly, for this blend film based on this high IP donor,  the large energetic barrier for hole collection causes a sig‐ nificant drop in photovoltaic performance. 

The IPs and EAs of the photoactive materials measured  by UPS (see Figure S12) are schemed in Figure 3a along with  the WFs of the interlayers. As shown, the WF of the PCP‐ H‐modified  ITO  is  almost  aligned  with  the  IP  of  J52‐2F,  while  that  of  the  PEDOT:PSS‐modified  ITO  has  a  higher  WF.  All  of  the  photovoltaic  parameters  of  these  two  de‐ vices are almost identical, implying the hole collection in  them are equally efficient. However, for the other four de‐ vices, the VOC gradually dropped from 0.92 to 0.84 V with  the decreased WFs of the anodes. As is known, when WF  of  the  anode  is  lower  than  IP  of  the  donor,  an  energetic  barrier  for  hole  collection  will  be  formed,  which  leads  to  higher  charge  recombination  and  hence  simultaneously  depresses the VOC, JSC and FF.25, 46 As a result, for the D‐Cs  device, a PCE of 9.1% was recorded, which is much lower  that of the D‐H device. According to these photovoltaic re‐ sults, we can conclude that the WF of the anode should be  higher than or at least aligned with the IP of the donor, and  the enlarged barrier for hole collection will induce the ob‐ vious drops in all three photovoltaic parameters and lead  to  low  PCE.  To  exclude  the  influence  of  active  layer  morphology on device performances, we carried out AFM  measurements  to  investigate  the  morphologies  of  the  active layer on different PCP‐x layers. As shown in Figure  S11,  the  J52‐2F:IT‐M  active  layer  on  different  PCP‐x  interlayers  exhibited  very  similar  phase‐separated  morphologies,  indicating  that  PCP‐x  layers  have  little  influence  on  BHJ  phase  segregation  in  the  active  layer. Therefore, it is practically the energy barriers at the PCP‐ x/active layer interfaces to cause the degradation of device  performances..  

According to the photovoltaic characteristics of all of the  devices, we can see the photovoltaic parameters are highly  affected by the energetic barriers at the interfaces between  the photoactive layers and anode. In order to clearly illus‐ trate the dependences of the photovoltaic parameters  on  the energetic barriers, we plot the VOC, JSC, FF and PCE as  the function of the energetic offset (dE) between WF of the  anodes and IP of the donors (dE = IP‐WF) in Figure 4. As  shown, the parameters of the three photoactive layers are  differently affected by the dE. For the PBDTTT‐E‐T:IEICO  devices, the largest dE value is about 0.1 eV and further re‐ ducing  the  dE  has  no  influence  on  all  of  the  parameters.  For the PBDB‐T‐2F:IT‐4F devices, all of the dE values are  quite large (dE > 0.16 eV), and under such a situation, the  VOC, JSC, FF and PCE are highly dependent on the dE values,  i.e. these parameters sharply drop with the increase of the  dE. For the J52‐2F:IT‐M devices, the parameters are also af‐ fected by the dE but the dependence is not as strong as that  in the PBDB‐T‐2F:IT‐4F devices. Based on the above anal‐ ysis, we can make the summaries as following. When dE is  larger than 0.1 eV, the energetic barrier for hole collection  can  induce  significant  loss  in  photovoltaic  performance.  The dependences on dE are different for the varied photo‐ active layers. Although a low dE should be helpful to obtain  higher photovoltaic performance, further reducing the dE  to  below  0.1  eV  or  even  lower  as  that  in  the  PBDTTT‐E‐ T:IEICO device modified by PCP‐H does not make contri‐ bution  for  enhancing  photovoltaic  performance.  Accord‐ ing to the Integer Charge‐Transfer (ICT) model,49‐52 when  the  anode  WF  is  larger  than  the  positive  integer  charge‐ transfer state (EICT+), the Fermi level is pinned to the EICT+  at the interface. Therefore, we propose that the WF at the  PCP‐x/PBDTTT‐E‐T:IEICO  interfaces  are  all  equal  to  the  EICT+ of PBDTTT‐E‐T. In the PBDTTT‐E‐T:IEICO‐based de‐ vices, Fermi‐level pinning of anodes to the EICT+ could elim‐ inate the energy barriers at the interfaces, which is benefi‐ cial  for  hole  collection.  Unfortunately,  we  failed  to  accu‐ rately evaluate the EICT+ value of polymer donors due to the  great difficulty in preparing the ultra‐thin film of polymer  donors on the PCP‐x layers. Future work will focus on the  determination  of  the  accurate  EICT+  value  of  polymer  do‐ nors and try to get an in‐depth understanding of the energy  level alignment at the anode/active layer interface. 

In  order  to  verify  the  above  conclusion,  we  firstly  se‐ lected a photoactive layer based on PBDTTT‐E‐T:IEICO to  make the devices based on the different ITO anodes by re‐ ferring the previous report.47 The polymer donor PBDBTT‐ E‐T has a IP of 4.86 eV, which is slight higher than WF of  PCP‐Cs‐modified  ITO  and  lower  than  those  of  the  other  four ITO anodes. As shown in Figure S13 and Table S2, all  the  PBDTTT‐E‐T:IEICO‐based  devices  exhibit  similarly  high PCEs over 10%, which are comparable with the results  for the control device. In detail, the J‐V curves are almost  overlapped, suggesting that the photovoltaic properties of  the devices are independent to the WFs of the anodes.  Furthermore, we also selected another photoactive layer  based  on  PBDB‐T‐2F48:IT‐4F32  to  make  the  devices  based  on the anodes. In this blend, the IP of the donor is 5.27 eV,  which is higher than the WFs of all the ITO anodes, imply‐ ing  the  high  energetic  barriers  for  hole  collection  will  be  formed in these devices. For the PEDOT:PSS‐modified de‐ vice,  a  PCE  of  13.3%  was  recorded,  accompanying  with  a  VOC of 0.83 V, a JSC of 21.1mA/cm2 and a FF of 0.76. In com‐

CONCLUSIONS  In  conclusion,  we  demonstrate  an  effective  method  to  modulate  p‐doping  effect  and  synthesize  a  series  of  p‐ doped conjugated polymers, PCP‐x, for the application in  OSCs as the anode interlayer materials. As these polymers  are self‐doped due to the polarization effect of the cations,  we are able to easily tune the p‐doping effect by changing  the  radius  of  the  cations,  i.e.  smaller  ion  can  induce 

ACS Paragon Plus Environment

Chemistry of Materials 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

Page 6 of 9

stronger  p‐doping  effect.  When  these  polymers  are  em‐ ployed as interlayer materials, WF of the ITO anodes can  be  tuned  in  the  range  from  4.78  to  5.11  eV.  Based  on  the  PCP‐H‐modified ITO anodes, the one with the highest WF,  a highly efficient NF‐OSC with a PCE of 12.8% can be fab‐ ricated. Furthermore, based on these anodes with the grad‐ ually changed WFs, we are able to investigate the correla‐ tion  between  the  photovoltaic  performance  of  the  NF‐ OSCs and the energetic offsets at the ITO anode/photoac‐ tive layer interfaces, and find that the energetic offset be‐ tween WF of the anodes and IP of the donors is a critical  parameter for the device, and a dE below 0.1 eV is needed  to minimize the loss in photovoltaic performance. 

Spectral  Response  Measurement  System  QE‐R3011  (Enli  Technology Co., Ltd, Taiwan). IP of samples were analyzed  on Thermo Scientific ESCALab 250Xi using UPS. The gas  discharge lamp was used for UPS, with helium gas admit‐ ted and the HeI (21.22eV) emission line employed. The he‐ lium pressure in the analysis chamber during analysis was  about 3× 10‐8 mbar. The data were acquired with ‐10V bias.  The conductivities of the PCP‐x were measured using the  two‐point  probe  method  according  to  previously  pub‐ lished article.36 

According to the developing trend in the field, the IPs of  the donors used in the highly efficient NF‐OSCs are quite  high  and  will  be  further  elevated  for  pursuing  high  VOC.   Although PEDOT:PSS seems a quite good material for ITO  anode  modification  in  NF‐OSCs,  the  WF  of  the  PEDOT:PSS‐modified ITO will be not sufficiently high to  match the IP of new donors. Overall, in this contribution,  we not only report a method to prepare a series of p‐type  interlayer  materials  with  tunable  WFs,  but  also  demon‐ strate the critical importance of developing the anode in‐ terlayer materials with high WFs. 

Supporting Information  Synthetic  route  of  PCP‐x,  NMR  and  MS  spectra  for  PCP‐x,  photovoltaic data of device.  

EXPERIMENTAL SECTION   Device  Fabrication.  In  this  work,  devices  were  fabri‐ cated with the conventional device structure of ITO/anode  interlayer/photoactive layer/PFN‐Br/Al. For the anode in‐ terlayers,  PEDOT:PSS(4083)  was  purchased  from  the  CleviosTM, and was used without additional treatment. Ex‐ cept  the  PCP‐H  was  dissolved  in  DMSO,  the  rest  of  the  PCP‐x was dissolved in the water. All the photoactive ma‐ terials PBDTTT‐E‐T:IEICO (D/A 1:1.25), J52‐2F:IT‐M (D/A  1:1) and PBDB‐T‐2F:IT‐4F (D/A 1:1) were dissolved in CB at  the  polymer  concentration  of  10  mg/ml.  To  dissolve  the  polymers fully, active layer solution PBDB‐T‐2F:IT‐4F was  stirred  at  40˚C,  PBDTTT‐E‐T:IEICO  and  J52‐2F:IT‐M  at  60˚C for 2 hours at least. Before spin coating, 1,8‐iodooc‐ tane (0.5%, v/v) was added to the active layer solution J52‐ 2F:IT‐M and PBDB‐T‐2F:IT‐4F. In addition, 1,8‐iodooctane  with  a  volume  ratio  of  3%  was  added  to  PBDTTT‐E‐ T:IEICO. For the cathode interlayer, PFN‐Br was dissolved  in methanol with the concentration of 0.5 mg/ml. The pro‐ cess of device fabrication is as follows: About 5 nm PCP‐x  or  30  nm  PEDOT:PSS  layer  was  spin‐coated  on  the  pre‐ cleaned ITO substrates and annealed at 150°C for 20 mins  in the air. Subsequently, the substrates were transferred to  the glove box. The active layer was spin‐coated on the in‐ terlayers and the films were treated with thermal annealing  at 100˚C for 10 mins. The thickness of all active layers was  controlled about 100 nm. PFN‐Br layer was spin‐coated on  the top of all the active layers at 3000 rpm for 30 s. Finally,  100 nm Al layer was deposited under high vacuum (ca.3×  10‐4 Pa).  Instruments  and  Measurements.  The  J–V  curves  of  devices were measured suing a AAA solar simulator (XES‐ 70S1, SAN‐EI Electric Co., Ltd) under 100 mW/cm2 AM1.5G.  The  EQE  spectrum  was  measured  through  the  Solar  Cell 

 

ASSOCIATED CONTENT

AUTHOR INFORMATION Corresponding Author *E‐mail: [email protected].    *E‐mail: [email protected]

Notes The authors declare no competing financial interests. 

ACKNOWLEDGMENT The authors acknowledge the financial support from the  National  Natural  Science  Foundation  of  China  (Grants  51673201,  21325419,  21504095)  and  the  Chinese  Academy  of Sciences (Grant XDB12030200). 

REFERENCES (1) Yu, G.; Gao, J.; Hummelen, J. C.; Wudl, F.; Heeger, A. J. Poly‐ mer Photovoltaic Cells ‐ Enhanced Efficiencies Via a Network of  Internal Donor‐Acceptor Heterojunctions. Science 1995, 270,  1789‐1791.  (2) Heeger, A. J. 25th anniversary article: Bulk heterojunction so‐ lar cells: understanding the mechanism of operation. Adv. Mater.  2014, 26, 10‐27. (3) Dou, L.; You, J.; Hong, Z.; Xu, Z.; Li, G.; Street, R. A.; Yang, Y.  25th anniversary article: a decade of organic/polymeric photo‐ voltaic research. Adv. Mater. 2013, 25, 6642‐6671.  (4) Spanggaard, H.; Krebs, F. C. A brief history of the develop‐ ment of organic and polymeric photovoltaics. Sol. Energy Mater.  Sol. Cells 2004, 83, 125‐146.  (5) Servaites, J. D.; Ratner, M. A.; Marks, T. J. Organic solar cells:  A new look at traditional models. Energy Environ. Sci. 2011, 4,  4410.  (6)  Brabec, C.  J.  Organic  photovoltaics:  technology  and  market.  Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2004, 83, 273‐292.  (7) Ren, X.; Cheng, J.; Zhang, S.; Li, X.; Rao, T.; Huo, L.; Hou, J.;  Choy, W. C. H. Organic Solar Cells: High Efficiency Organic So‐ lar Cells Achieved by the Simultaneous Plasmon‐Optical and  Plasmon‐Electrical Effects from Plasmonic Asymmetric Modes of  Gold Nanostars (Small 37/2016). Small 2016, 12, 5102‐5102.  (8) Duan, C.; Zhang, K.; Zhong, C.; Huang, F.; Cao, Y. Recent ad‐ vances in water/alcohol‐soluble pi‐conjugated materials: new ma‐ terials  and  growing  applications  in  solar  cells.  Chem.  Soc.  Rev.  2013, 42, 9071‐9104.  (9) Yao, H.; Ye, L.; Zhang, H.; Li, S.; Zhang, S.; Hou, J. Molecular  Design of Benzodithiophene‐Based Organic Photovoltaic Materi‐ als. Chem. Rev. 2016, 116, 7397‐7457. 

ACS Paragon Plus Environment

Page 7 of 9 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

Chemistry of Materials

(10) Chueh, C.‐C.; Li, C.‐Z.; Jen, A. K. Y. Recent progress and per‐ spective  in  solution‐processed  Interfacial  materials  for  efficient  and stable polymer and organometal perovskite solar cells. Energy  Environ. Sci. 2015, 8, 1160‐1189.  (11) Yin, Z.; Wei, J.; Zheng, Q. Interfacial Materials for Organic So‐ lar Cells: Recent Advances and Perspectives. Adv Sci (Weinh) 2016,  3, 1500362.  (12) Zilberberg, K.; Meyer, J.; Riedl, T. Solution processed metal‐ oxides  for  organic  electronic  devices.  J.  Mater.  Chem.  C  2013,  1,  4796‐4815.  (13) Yu, X.; Marks, T. J.; Facchetti, A. Metal oxides for optoelec‐ tronic applications. Nat. mater. 2016, 15, 383‐396.  (14) Tan, Z. a.; Li, L.; Wang, F.; Xu, Q.; Li, S.; Sun, G.; Tu, X.; Hou,  X.; Hou, J.; Li, Y. Solution‐Processed Rhenium Oxide: A Versatile  Anode  Buffer  Layer  for  High  Performance  Polymer  Solar  Cells  with Enhanced Light Harvest. Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1300884.  (15) Xu, Z.; Chen, L.‐M.; Yang, G.; Huang, C.‐H.; Hou, J.; Wu, Y.;  Li,  G.;  Hsu,  C.‐S.;  Yang,  Y.  Vertical  Phase  Separation  in  Poly(3‐ hexylthiophene):  Fullerene  Derivative  Blends  and  its  Advantage  for  Inverted  Structure  Solar  Cells.  Adv.  Funct.  Mater.  2009,  19,  1227‐1234.  (16) Jiang, H.; Taranekar, P.; Reynolds, J. R.; Schanze, K. S. Conju‐ gated polyelectrolytes: synthesis, photophysics, and applications.  Angew. Chem. 2009, 48, 4300‐4316.  (17) Hoven, C. V.; Garcia, A.; Bazan, G. C.; Nguyen, T.‐Q. Recent  Applications  of  Conjugated  Polyelectrolytes  in  Optoelectronic  Devices. Adv. Mater. 2008, 20, 3793‐3810.  (18) Duarte, A.; Pu, K.‐Y.; Liu, B.; Bazan, G. C. Recent Advances  in Conjugated Polyelectrolytes for Emerging Optoelectronic Ap‐ plications†. Chem. Mater. 2011, 23, 501‐515.  (19) Xue, Q.; Hu, Z.; Liu, J.; Lin, J.; Sun, C.; Chen, Z.; Duan, C.;  Wang, J.; Liao, C.; Lau, W. M.; Huang, F.; Yip, H.‐L.; Cao, Y.  Highly efficient fullerene/perovskite planar heterojunction solar  cells via cathode modification with an amino‐functionalized pol‐ ymer interlayer. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 19598‐19603.  (20) Zhang, K.; Huang, F.; Cao, Y. Water/Alcohol Soluble Conju‐ gated Polymer Interlayer Materials and Their Application in So‐ lution Processed Multilayer Organic Optoelectronic Devices.  Acta. Polymerica. Sinica. 2017, 9, 1400‐1411.  (21) Hains, A. W.; Liu, J.; Martinson, A. B. F.; Irwin, M. D.; Marks,  T. J. Anode Interfacial Tuning via Electron‐Blocking/Hole‐ Transport Layers and Indium Tin Oxide Surface Treatment in  Bulk‐Heterojunction Organic Photovoltaic Cells. Adv. Funct. Ma‐ ter. 2010, 20, 595‐606.  (22) Huang, L.; Chen, L.; Huang, P.; Wu, F.; Tan, L.; Xiao, S.;  Zhong, W.; Sun, L.; Chen, Y. Triple Dipole Effect from Self‐As‐ sembled Small‐Molecules for High Performance Organic Photo‐ voltaics. Adv. Mater. 2016, 28, 4852‐4860.  (23) Li, S.; Lei, M.; Lv, M.; Watkins, S. E.; Tan, Z. a.; Zhu, J.; Hou,  J.; Chen, X.; Li, Y. [6,6]‐Phenyl‐C61‐Butyric Acid Dimethylamino  Ester as a Cathode Buffer Layer for High‐Performance Polymer  Solar Cells. Adv. Energy Mater. 2013, 3, 1569‐1574.  (24) Michael D. Irwin, D. B. B., Alexander W. Hains, Robert P. H.  Chang, and Tobin J. Marks PNAS 2008, 105, 2783‐2787.  (25) Zhou, H.; Zhang, Y.; Mai, C. K.; Collins, S. D.; Bazan, G. C.;  Nguyen, T. Q.; Heeger, A. J. Polymer homo‐tandem solar cells  with best efficiency of 11.3%. Adv. Mater. 2015, 27, 1767‐1773.  (26) Zhao, F.; Dai, S.; Wu, Y.; Zhang, Q.; Wang, J.; Jiang, L.; Ling,  Q.; Wei, Z.; Ma, W.; You, W.; Wang, C.; Zhan, X. Single‐Junction  Binary‐Blend Nonfullerene Polymer Solar Cells with 12.1% Effi‐ ciency. Adv. Mater. 2017, 29, 1700144.  (27) Zheng, Z.; Awartani, O. M.; Gautam, B.; Liu, D.; Qin, Y.; Li,  W.; Bataller, A.; Gundogdu, K.; Ade, H.; Hou, J. Efficient Charge  Transfer and Fine‐Tuned Energy Level Alignment in a THF‐ Processed Fullerene‐Free Organic Solar Cell with 11.3% Effi‐ ciency. Adv. Mater. 2017, 29, 1604241.  (28) Xu, S. J.; Zhou, Z.; Liu, W.; Zhang, Z.; Liu, F.; Yan, H.; Zhu, 

X. A Twisted Thieno[3,4‐b]thiophene‐Based Electron Acceptor  Featuring a 14‐pi‐Electron Indenoindene Core for High‐Perfor‐ mance Organic Photovoltaics. Adv. Mater. 2017, DOI:  10.1002/adma.201704510.  (29) Lin, Y.; Wang, J.; Zhang, Z. G.; Bai, H.; Li, Y.; Zhu, D.; Zhan,  X. An electron acceptor challenging fullerenes for efficient poly‐ mer solar cells. Adv. Mater. 2015, 27, 1170‐1174.  (30) Lin, Y.; Zhang, Z.‐G.; Bai, H.; Wang, J.; Yao, Y.; Li, Y.; Zhu,  D.; Zhan, X. High‐performance fullerene‐free polymer solar cells  with 6.31% efficiency. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 610‐616.  (31) Fan, B.; Ying, L.; Wang, Z.; He, B.; Jiang, X.‐F.; Huang, F.;  Cao, Y. Optimisation of processing solvent and molecular weight  for the production of green‐solvent‐processed all‐polymer solar  cells with a power conversion efficiency over 9%. Energy Environ.  Sci. 2017, 10, 1243‐1251.  (32) Zhao, W.; Li, S.; Yao, H.; Zhang, S.; Zhang, Y.; Yang, B.; Hou,  J. Molecular Optimization Enables over 13% Efficiency in Or‐ ganic Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 7148‐7151.  (33) Yao, H.; Ye, L.; Hou, J.; Jang, B.; Han, G.; Cui, Y.; Su, G. M.;  Wang, C.; Gao, B.; Yu, R.; Zhang, H.; Yi, Y.; Woo, H. Y.; Ade, H.;  Hou, J. Achieving Highly Efficient Nonfullerene Organic Solar  Cells with Improved Intermolecular Interaction and Open‐Cir‐ cuit Voltage. Adv. Mater. 2017, 29, 1700254.  (34) Qin, Y.; Uddin, M. A.; Chen, Y.; Jang, B.; Zhao, K.; Zheng, Z.;  Yu, R.; Shin, T. J.; Woo, H. Y.; Hou, J. Highly Efficient Fullerene‐ Free Polymer Solar Cells Fabricated with Polythiophene Deriva‐ tive. Adv. Mater. 2016, 28, 9416‐9422.  (35) Yang, L.; Zhang, S.; He, C.; Zhang, J.; Yao, H.; Yang, Y.;  Zhang, Y.; Zhao, W.; Hou, J. New Wide Band Gap Donor for Effi‐ cient Fullerene‐Free All‐Small‐Molecule Organic Solar Cells. J.  Am. Chem. Soc. 2017, 139, 1958‐1966.  (36) Cui, Y.; Xu, B.; Yang, B.; Yao, H.; Li, S.; Hou, J. A Novel pH  Neutral Self‐Doped Polymer for Anode Interfacial Layer in Effi‐ cient Polymer Solar Cells. Macromolecules 2016, 49, 8126‐8133.  (37) Tang, C. G.; Ang, M. C.; Choo, K. K.; Keerthi, V.; Tan, J. K.;  Syafiqah, M. N.; Kugler, T.; Burroughes, J. H.; Png, R. Q.; Chua,  L. L.; Ho, P. K. Doped polymer semiconductors with ultrahigh  and ultralow work functions for ohmic contacts. Nature 2016,  539, 536‐540.  (38) Fan, Q.; Su, W.; Meng, X.; Guo, X.; Li, G.; Ma, W.; Zhang,  M.; Li, Y. High‐Performance Non‐Fullerene Polymer Solar Cells  Based on Fluorine Substituted Wide Bandgap Copolymers With‐ out Extra Treatments. Solar RRL 2017, 1, 1700020.  (39) Li, S.; Ye, L.; Zhao, W.; Zhang, S.; Mukherjee, S.; Ade, H.;  Hou, J. Energy‐Level Modulation of Small‐Molecule Electron Ac‐ ceptors to Achieve over 12% Efficiency in Polymer Solar Cells.  Adv. Mater. 2016, 28, 9423‐9429.  (40) Mai, C. K.; Zhou, H.; Zhang, Y.; Henson, Z. B.; Nguyen, T.  Q.; Heeger, A. J.; Bazan, G. C. Facile doping of anionic narrow‐ band‐gap conjugated polyelectrolytes during dialysis. Angew.  Chem. 2013, 52, 12874‐12878.  (41) Sun, Z. W.; Frank, A. J. Characterization of the intrachain  charge‐generation mechanism of electronically conductive poly  (3‐methylthiophene). J. Chem. Phys. 1991, 94, 4600‐4608.  (42) Romanova, J.; Madjarova, G.; Tadjer, A.; Gospodinova, N.  Solvent polarity and dopant effect on the electronic structure of  the emeraldine salt. Int. J. Quantum Chem. 2011, 111, 435‐443.  (43) Abdiryim, T.; Zhao, C.; Jamal, R.; Ubul, A.; Shi, W.; Nurulla,  I. The effect of solvents and organic acids on the p‐doping be‐ haviors of poly(3′,4′‐Ethylenedioxy‐2,2′:5′,2″‐terthio‐ phene). Polym. Sci. Ser. B 2012, 54, 413‐419.  (44) Kim, K.‐H.; Kang, H.; Kim, H. J.; Kim, P. S.; Yoon, S. C.; Kim,  B. J. Effects of Solubilizing Group Modification in Fullerene Bis‐ Adducts on Normal and Inverted Type Polymer Solar Cells.  Chemistry of Materials 2012, 24, 2373‐2381.  (45) Comyn, J. Contact angles and adhesive bonding. Int. J.  Adhes. Adhes. 1992, 12, 145‐149. 

ACS Paragon Plus Environment

Chemistry of Materials 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

(46) Garcia, A.; Welch, G. C.; Ratcliff, E. L.; Ginley, D. S.; Bazan,  G. C.; Olson, D. C. Improvement of interfacial contacts for new  small‐molecule bulk‐heterojunction organic photovoltaics. Adv.  Mater. 2012, 24, 5368‐5373.  (47) Yao, H.; Chen, Y.; Qin, Y.; Yu, R.; Cui, Y.; Yang, B.; Li, S.;  Zhang, K.; Hou, J. Design and Synthesis of a Low Bandgap Small  Molecule Acceptor for Efficient Polymer Solar Cells. Adv. Mater.  2016, 28, 8283‐8287.   (48) Zhang, M.; Guo, X.; Ma, W.; Ade, H.; Hou, J. A Large‐ Bandgap Conjugated Polymer for Versatile Photovoltaic Applica‐ tions with High Performance. Adv. Mater. 2015, 27, 4655‐4660.  (49) Braun, S.; Salaneck, W. R.; Fahlman, M. Energy‐Level Align‐ ment at Organic/Metal and Organic/Organic Interfaces. Adv. 

Mater. 2009, 21, 1450‐1472.  (50) Tengstedt, C.; Osikowicz, W.; Salaneck, W. R.; Parker, I. D.;  Hsu, C.‐H.; Fahlman, M. Fermi‐level pinning at conjugated poly‐ mer interfaces. Applied Physics Letters 2006, 88, 053502.  (51) Greiner, M. T.; Helander, M. G.; Tang, W. M.; Wang, Z. B.;  Qiu, J.; Lu, Z. H. Universal energy‐level alignment of molecules  on metal oxides. Nature materials 2011, 11, 76‐81.  (52) Fahlman, M.; Crispin, A.; Crispin, X.; Henze, S. K.; de Jong,  M. P.; Osikowicz, W.; Tengstedt, C.; Salaneck, W. R. Electronic  structure of hybrid interfaces for polymer‐based electronics. J  Phys Condens Matter 2007, 19, 183202.   

ACS Paragon Plus Environment

Page 8 of 9

Page 9 of 9 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

Chemistry of Materials

Table of Contents (TOC)  

 

9 ACS Paragon Plus Environment