Comparing the device physics and morphology of polymer solar cells employing fullerenes and non-fullerene acceptors

Advanced Energy Materials

Volumn 4, Issue 12, 2014, Pages

  Bloking, Jason T ^a   Giovenzana, Tommaso ^a   Higgs, Andrew T ^a   Ponec, Andrew J ^a   Hoke, Eric T ^a   Vandewal, Koen ^a   Ko, Sangwon ^b   Bao, Zhenan ^b   Sellinger, Alan ^c   McGehee, Michael D ^a  

^a STANFORD UNIVERSITY   (United States)

^b Stanford University   (United States)

^c Department of Metallurgical and Materials Engineering   (United States)

Author keywords

electronic processes; organic electronics; photovoltaic devices; solar cells; structure property relationships

Indexed keywords

EFFICIENCY; ELECTRIC CHARGE; ENERGY GAP; FULLERENES; HETEROJUNCTIONS; MOLECULES; MORPHOLOGY; OPEN CIRCUIT VOLTAGE; POLYMER SOLAR CELLS; POLYMERS; SEPARATION; SOLAR CELLS; SOLAR POWER GENERATION;

BULK-HETEROJUNCTION DEVICES; ELECTRONIC PROCESS; INTERNAL QUANTUM EFFICIENCY; ORGANIC ELECTRONICS; ORGANIC PHOTOVOLTAICS; PHOTOVOLTAIC DEVICES; POWER CONVERSION EFFICIENCIES; STRUCTURE PROPERTY RELATIONSHIPS;

QUANTUM EFFICIENCY;

EID: 84906785442     PISSN: 16146832     EISSN: 16146840     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/aenm.201301426     Document Type: Article

References (83)

1. a) C. J. Brabec, S. Gowrisanker, J. J. Halls, D. Laird, S. Jia, S. P. Williams, Adv. Mater. 2010, 22, 3839
2. b) S. Chen, C. E. Small, C. M. Amb, J. Subbiah, T.-h. Lai, S.-W. Tsang, J. R. Manders, J. R. Reynolds, F. So, Adv. Energy Mater. 2012, 2, 1333
3. c) T. M. Clarke, J. R. Durrant, Chem. Rev. 2010, 110, 6736
4. d) G. Li, R. Zhu, Y. Yang, Nat. Photonics 2012, 6, 153.
5. a) Z. He, C. Zhong, S. Su, M. Xu, H. Wu, Y. Cao, Nat. Photonics 2012, 6, 591
6. b) T. Nozawa, Mitsubishi chemical claims efficiency record for organic thin-film PV cell, http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS-EN/20120601/221131/ (accessed May 2013)
7. c) S.-H. Liao, H.-J. Jhuo, Y.-S. Cheng, S.-A. Chen, Adv. Mater. 2013, 25, 4766.
8. a) I. Heliatek, Heliatek consolidates its technology leadership by establishing a new world record for organic solar technology with a cell efficiency of 12%, http://www.heliatek.com/newscenter/latest-news/neuer- weltrekord-fur-organische-solarzellen-heliatek-behauptet-sich-mit-12- zelleffizienz-als-technologiefuhrer/?lang=en (accessed April 2013)
9. b) J. You, L. Dou, K. Yoshimura, T. Kato, K. Ohya, T. Moriarty, K. Emery, C.-C. Chen, J. Gao, G. Li, Y. Yang, Nat. Commun. 2013, 4, 1446.
10. a) L. Huo, J. Hou, S. Zhang, H.-Y. Chen, Y. Yang, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 1500
11. b) S. H. Park, A. Roy, S. Beaupre, S. Cho, N. Coates, J. S. Moon, D. Moses, M. Leclerc, K. Lee, A. J. Heeger, Nat. Photonics 2009, 3, 297
12. c) C. Piliego, T. W. Holcombe, J. D. Douglas, C. H. Woo, P. M. Beaujuge, J. M. J. Frechet, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 7595
13. d) L. H. Slooff, S. C. Veenstra, J. M. Kroon, D. J. D. Moet, J. Sweelssen, M. M. Koetse, Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 143506
14. e) Y. Zhang, S. K. Hau, H.-L. Yip, Y. Sun, O. Acton, A. K. Y. Jen, Chem. Mater. 2010, 22, 2696
15. f) Y. Zou, A. Najari, P. Berrouard, S. Beaupré, B. Réda Aïch, Y. Tao, M. Leclerc, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 5330.
16. a) Y. He, H.-Y. Chen, J. Hou, Y. Li, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 1377
17. b) H. Kang, C.-H. Cho, H.-H. Cho, T. E. Kang, H. J. Kim, K.-H. Kim, S. C. Yoon, B. J. Kim, ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 4, 110
18. c) K.-H. Kim, H. Kang, S. Y. Nam, J. Jung, P. S. Kim, C.-H. Cho, C. Lee, S. C. Yoon, B. J. Kim, Chem. Mater. 2011, 23, 5090
19. d) M. Lenes, G.-J. A. H. Wetzelaer, F. B. Kooistra, S. C. Veenstra, J. C. Hummelen, P. W. M. Blom, Adv. Mater. 2008, 20, 2116
20. e) R. B. Ross, C. M. Cardona, D. M. Guldi, S. G. Sankaranarayanan, M. O. Reese, N. Kopidakis, J. Peet, B. Walker, G. C. Bazan, E. Van Keuren, B. C. Holloway, M. Drees, Nat. Mater. 2009, 8, 208
21. f) E. Voroshazi, K. Vasseur, T. Aernouts, P. Heremans, A. Baumann, C. Deibel, X. Xue, A. J. Herring, A. J. Athans, T. A. Lada, H. Richter, B. P. Rand, J. Mater. Chem. 2011, 21, 17345
22. g) G. Zhao, Y. He, Y. Li, Adv. Mater. 2010, 22, 4355.
23. a) J. C. Bijleveld, R. A. M. Verstrijden, M. M. Wienk, R. A. J. Janssen, Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 073304
24. b) D. Di Nuzzo, G.-J. A. H. Wetzelaer, R. K. M. Bouwer, V. S. Gevaerts, S. C. J. Meskers, J. C. Hummelen, P. W. M. Blom, R. A. J. Janssen, Adv. Energy Mater. 2013, 3, 85
25. c) M. A. Faist, T. Kirchartz, W. Gong, R. S. Ashraf, I. McCulloch, J. C. de Mello, N. J. Ekins-Daukes, D. D. C. Bradley, J. Nelson, J. Am. Chem. Soc. 2011, 134, 685
26. d) E. T. Hoke, K. Vandewal, J. A. Bartelt, W. R. Mateker, J. D. Douglas, R. Noriega, K. R. Graham, J. M. J. Fréchet, A. Salleo, M. D. McGehee, Adv. Energy Mater. 2013, 3, 220
27. e) G. Ren, C. W. Schlenker, E. Ahmed, S. Subramaniyan, S. Olthof, A. Kahn, D. S. Ginger, S. A. Jenekhe, Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 1238.
28. a) T. Ameri, N. Li, C. J. Brabec, Energy Environ. Sci. 2013, 6, 2390
29. b) Z. M. Beiley, M. D. McGehee, Energy Environ. Sci. 2012, 5, 9173
30. c) V. S. Gevaerts, A. Furlan, M. M. Wienk, M. Turbiez, R. A. J. Janssen, Adv. Mater. 2012, 24, 2130
31. d) S. Kouijzer, S. Esiner, C. H. Frijters, M. Turbiez, M. M. Wienk, R. A. J. Janssen, Adv. Energy Mater. 2012, 2, 945
32. e) Y. Zhou, C. Fuentes-Hernandez, J. W. Shim, T. M. Khan, B. Kippelen, Energy Environ. Sci. 2012, 5, 9827.
33. a) B. Azzopardi, C. J. M. Emmott, A. Urbina, F. C. Krebs, J. Mutale, J. Nelson, Energy Environ. Sci. 2011, 4, 3741
34. b) A. L. Roes, E. A. Alsema, K. Blok, M. K. Patel, Prog. Photovoltaics 2009, 17, 372.
35. a) C. L. Chochos, N. Tagmatarchis, V. G. Gregoriou, RSC Adv. 2013, 3, 7160
36. b) P. Sonar, J. P. Fong Lim, K. L. Chan, Energy Environ. Sci. 2011, 4, 1558.
37. a) A. Facchetti, Mater. Today 2013, 16, 123
38. b) M. Schubert, D. Dolfen, J. Frisch, S. Roland, R. Steyrleuthner, B. Stiller, Z. Chen, U. Scherf, N. Koch, A. Facchetti, D. Neher, Adv. Energy Mater. 2012, 2, 369
39. c) Y. Zhou, Q. Yan, Y.-Q. Zheng, J.-Y. Wang, D. Zhao, J. Pei, J. Mater. Chem. A 2013, 1, 6609.
40. a) E. Ahmed, G. Ren, F. S. Kim, E. C. Hollenbeck, S. A. Jenekhe, Chem. Mater. 2011, 23, 4563
41. b) N. Beaumont, S. W. Cho, P. Sullivan, D. Newby, K. E. Smith, T. S. Jones, Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 561
42. c) F. G. Brunetti, X. Gong, M. Tong, A. J. Heeger, F. Wudl, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 532
43. d) F. G. Brunetti, R. Kumar, F. Wudl, J. Mater. Chem. 2010, 20, 2934
44. e) Y. Fang, A. K. Pandey, A. M. Nardes, N. Kopidakis, P. L. Burn, P. Meredith, Adv. Energy Mater. 2013, 3, 54
45. f) H. Gommans, T. Aernouts, B. Verreet, P. Heremans, A. Medina, C. G. Claessens, T. Torres, Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 3435
46. g) V. Kamm, G. Battagliarin, I. A. Howard, W. Pisula, A. Mavrinskiy, C. Li, K. Müllen, F. Laquai, Adv. Energy Mater. 2011, 1, 297
47. h) Y. Lin, P. Cheng, Y. Li, X. Zhan, Chem. Commun. 2012, 48, 4773
48. i) C. B. Nielsen, E. Voroshazi, S. Holliday, K. Cnops, B. P. Rand, I. McCulloch, J. Mater. Chem. A 2013, 1, 73
49. j) P. E. Schwenn, K. Gui, A. M. Nardes, K. B. Krueger, K. H. Lee, K. Mutkins, H. Rubinstein-Dunlop, P. E. Shaw, N. Kopidakis, P. L. Burn, P. Meredith, Adv. Energy Mater. 2011, 1, 73
50. k) A. Sharenko, C. M. Proctor, T. S. van der Poll, Z. B. Henson, T.-Q. Nguyen, G. C. Bazan, Adv. Mater. 2013, 25, 4403
51. l) G. D. Sharma, M. S. Roy, J. A. Mikroyannidis, K. R. Justin Thomas, Org. Electron. 2012, 13, 3118
52. m) Y. Shu, Y. F. Lim, Z. Li, B. Purushothaman, R. Hallani, J. E. Kim, S. R. Parkin, G. G. Malliaras, J. E. Anthony, Chem. Sci. 2011, 2, 363
53. n) P. Sonar, G.-M. Ng, T. T. Lin, A. Dodabalapur, Z.-K. Chen, J. Mater. Chem. 2010, 20, 3626
54. o) P. Sullivan, A. Duraud, L. Hancox, N. Beaumont, G. Mirri, J. H. R. Tucker, R. A. Hatton, M. Shipman, T. S. Jones, Adv. Energy Mater. 2011, 1, 352
55. p) B. Verreet, B. P. Rand, D. Cheyns, A. Hadipour, T. Aernouts, P. Heremans, A. Medina, C. G. Claessens, T. Torres, Adv. Energy Mater. 2011, 1, 565
56. q) C. H. Woo, T. W. Holcombe, D. A. Unruh, A. Sellinger, J. M. J. Frechet, Chem. Mater. 2010, 22, 1673
57. r) X. Zhang, Z. Lu, L. Ye, C. Zhan, J. Hou, S. Zhang, B. Jiang, Y. Zhao, J. Huang, S. Zhang, Y. Liu, Q. Shi, Y. Liu, J. Yao, Adv. Mater. 2013, 25, 5791
58. s) T. Zhou, T. Jia, B. Kang, F. Li, M. Fahlman, Y. Wang, Adv. Energy Mater. 2011, 1, 431
59. t) Y. Zhou, Y.-Z. Dai, Y.-Q. Zheng, X.-Y. Wang, J.-Y. Wang, J. Pei, Chem. Commun. 2013, 49, 5802
60. u) Y. Zhou, L. Ding, K. Shi, Y.-Z. Dai, N. Ai, J. Wang, J. Pei, Adv. Mater. 2012, 24, 957
61. v) T. V. Pho, F. M. Toma, B. J. T. de Villers, S. Wang, N. D. Treat, N. D. Eisenmenger, G. M. Su, R. C. Coffin, J. D. Douglas, J. M. J. Fréchet, G. C. Bazan, F. Wudl, M. L. Chabinyc, Adv. Energy Mater. 2014, DOI: 10.1002/aenm.201301007.
62. a) M.-F. Falzon, M. M. Wienk, R. A. J. Janssen, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 3178
63. b) M.-F. Falzon, A. P. Zoombelt, M. M. Wienk, R. A. J. Janssen, Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 8931.
64. J. T. Bloking, X. Han, A. T. Higgs, J. P. Kastrop, L. Pandey, J. E. Norton, C. Risko, C. E. Chen, J.-L. Brédas, M. D. McGehee, A. Sellinger, Chem. Mater. 2011, 23, 5484.
65. S. Ko, E. T. Hoke, L. Pandey, S. Hong, R. Mondal, C. Risko, Y. Yi, R. Noriega, M. D. McGehee, J.-L. Brédas, A. Salleo, Z. Bao, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 5222.
66. G. F. Burkhard, E. T. Hoke, M. D. McGehee, Adv. Mater. 2010, 22, 3293.
67. a) G. F. Burkhard, E. T. Hoke, S. R. Scully, M. D. McGehee, Nano Lett. 2009, 9, 4037
68. b) G. F. Burkhard, E. T. Hoke, Z. M. Beiley, M. D. McGehee, J. Phys. Chem. C 2012, 116, 26674.
69. 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. Frechet, A. Amassian, M. K. Riede, M. D. McGehee, D. Neher, A. Salleo, Nat. Mater. 2013, 13, 63.
70. W. L. Leong, S. R. Cowan, A. J. Heeger, Adv. Energy Mater. 2011, 1, 517.
71. a) J. A. Bartelt, Z. M. Beiley, E. T. Hoke, W. R. Mateker, J. D. Douglas, B. A. Collins, J. R. Tumbleston, K. R. Graham, A. Amassian, H. Ade, J. M. J. Fréchet, M. F. Toney, M. D. McGehee, Adv. Energy Materi. 2013, 3, 364
72. b) B. A. Collins, E. Gann, L. Guignard, X. He, C. R. McNeill, H. Ade, J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 3160
73. c) A. C. Mayer, M. F. Toney, S. R. Scully, J. Rivnay, C. J. Brabec, M. Scharber, M. Koppe, M. Heeney, I. McCulloch, M. D. McGehee, Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 1173
74. d) N. C. Miller, E. Cho, R. Gysel, C. Risko, V. Coropceanu, C. E. Miller, S. Sweetnam, A. Sellinger, M. Heeney, I. McCulloch, J.-L. Brédas, M. F. Toney, M. D. McGehee, Adv. Energy Mater. 2012, 2, 1208
75. e) N. D. Treat, A. Varotto, C. J. Takacs, N. Batara, M. Al-Hashimi, M. J. Heeney, A. J. Heeger, F. Wudl, C. J. Hawker, M. L. Chabinyc, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 15869.
76. N. C. Miller, S. Sweetnam, E. T. Hoke, R. Gysel, C. E. Miller, J. A. Bartelt, X. Xie, M. F. Toney, M. D. McGehee, Nano Lett. 2012, 12, 1566.
77. F. C. Jamieson, E. B. Domingo, T. McCarthy-Ward, M. Heeney, N. Stingelin, J. R. Durrant, Chem. Sci. 2012, 3, 485.
78. a) C. Groves, Energy Environ. Sci. 2013, 6, 1546
79. b) P. Peumans, S. R. Forrest, Chem. Phys. Lett. 2004, 398, 27
80. c) T. M. Burke, M. D. McGehee, Adv. Mater. 2014, 26, 1923.
81. a) R. Noriega, J. Rivnay, K. Vandewal, F. P. V. Koch, N. Stingelin, P. Smith, M. F. Toney, A. Salleo, Nat. Mater. 2013, 12, 1038
82. b) K. Vandewal, S. Himmelberger, A. Salleo, Macromolecules 2013, 46, 6379.
83. V. Coropceanu, J. Cornil, D. A. da Silva Filho, Y. Olivier, R. Silbey, J.-L. Brédas, Chem. Rev. 2007, 107, 926.