All-Polymer Solar Cell Performance Optimized via Systematic Molecular Weight Tuning of Both Donor and Acceptor Polymers

Journal of the American Chemical Society

Volumn 138, Issue 4, 2016, Pages 1240-1251

  Zhou, Nanjia ^a   Dudnik, Alexander S ^b   Li, Ting I N G ^a   Manley, Eric F ^b,d   Aldrich, Thomas J ^b   Guo, Peijun ^a   Liao, Hsueh Chung ^b   Chen, Zhihua ^c   Chen, Lin X ^b,d   Chang, Robert P H ^a   Facchetti, Antonio ^b,c   Olvera De La Cruz, Monica ^a   Marks, Tobin J ^a,b  

^a Northwestern University   (United States)

^b NORTHWESTERN UNIVERSITY   (United States)

^c POLYERA CORPORATION   (United States)

^d ARGONNE NATIONAL LABORATORY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CONJUGATED POLYMERS; MOLECULAR WEIGHT; NAPHTHALENE; PHASE SEPARATION; SOLAR CELLS; SOLAR POWER GENERATION; TUNING;

ALL-POLYMER SOLAR CELLS; CHARGE CARRIER RECOMBINATION; DONOR-ACCEPTOR POLYMERS; INTERCHAIN INTERACTIONS; NUMBER AVERAGE MOLECULAR WEIGHT; PHOTOVOLTAIC PERFORMANCE; SYNTHETIC METHODOLOGY; TRANSPORT CHARACTERISTICS;

POLYMER SOLAR CELLS;

EID: 84957583444     PISSN: 00027863     EISSN: 15205126     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jacs.5b10735     Document Type: Article

References (86)

1. Liang, Y.; Xu, Z.; Xia, J.; Tsai, S.-T.; Wu, Y.; Li, G.; Ray, C.; Yu, L. Adv. Mater. 2010, 22, E135 10.1002/adma.200903528
2. Li, W.; Hendriks, K. H.; Roelofs, W. S. C.; Kim, Y.; Wienk, M. M.; Janssen, R. A. J. Adv. Mater. 2013, 25, 3182 10.1002/adma.201300017
3. Liu, Y.; Zhao, J.; Li, Z.; Mu, C.; Ma, W.; Hu, H.; Jiang, K.; Lin, H.; Ade, H.; Yan, H. Nat. Commun. 2014, 5, 5293 10.1038/ncomms6293
4. Nguyen, T. L.; Choi, H.; Ko, S. J.; Uddin, M. A.; Walker, B.; Yum, S.; Jeong, J. E.; Yun, M. H.; Shin, T. J.; Hwang, S.; Kim, J. Y.; Woo, H. Y. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 3040 10.1039/C4EE01529K
5. Zhang, M.; Guo, X.; Ma, W.; Ade, H.; Hou, J. Adv. Mater. 2014, 26, 5880 10.1002/adma.201401494
6. Guo, X.; Zhou, N.; Lou, S. J.; Smith, J.; Tice, D. B.; Hennek, J. W.; Ortiz, R. P.; Navarrete, J. T. L.; Li, S.; Strzalka, J.; Chen, L. X.; Chang, R. P. H.; Facchetti, A.; Marks, T. J. Nat. Photonics 2013, 7, 825 10.1038/nphoton.2013.207
7. Dou, L.; Chen, C.-C.; Yoshimura, K.; Ohya, K.; Chang, W.-H.; Gao, J.; Liu, Y.; Richard, E.; Yang, Y. Macromolecules 2013, 46, 3384 10.1021/ma400452j
8. Chen, J.-D.; Cui, C.; Li, Y.-Q.; Zhou, L.; Ou, Q.-D.; Li, C.; Li, Y.; Tang, J.-X. Adv. Mater. 2015, 27, 1035 10.1002/adma.201404535
9. Earmme, T.; Hwang, Y.-J.; Murari, N. M.; Subramaniyan, S.; Jenekhe, S. A. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 14960 10.1021/ja4085429
10. Zang, Y.; Li, C.-Z.; Chueh, C.-C.; Williams, S. T.; Jiang, W.; Wang, Z.-H.; Yu, J.-S.; Jen, A. K. Y. Adv. Mater. 2014, 26, 5708 10.1002/adma.201401992
11. Mori, D.; Benten, H.; Okada, I.; Ohkita, H.; Ito, S. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2939 10.1039/C4EE01326C
12. Earmme, T.; Hwang, Y.-J.; Subramaniyan, S.; Jenekhe, S. A. Adv. Mater. 2014, 26, 6080 10.1002/adma.201401490
13. Mu, C.; Liu, P.; Ma, W.; Jiang, K.; Zhao, J.; Zhang, K.; Chen, Z.; Wei, Z.; Yi, Y.; Wang, J.; Yang, S.; Huang, F.; Facchetti, A.; Ade, H.; Yan, H. Adv. Mater. 2014, 26, 7224 10.1002/adma.201402473
14. Lin, Y.; Zhang, Z.-G.; Bai, H.; Wang, J.; Yao, Y.; Li, Y.; Zhu, D.; Zhan, X. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 610 10.1039/C4EE03424D
15. Kang, H.; Uddin, M. A.; Lee, C.; Kim, K.-H.; Nguyen, T. L.; Lee, W.; Li, Y.; Wang, C.; Woo, H. Y.; Kim, B. J. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 2359 10.1021/ja5123182
16. Jung, J. W.; Jo, J. W.; Chueh, C.-C.; Liu, F.; Jo, W. H.; Russell, T. P.; Jen, A. K. Y. Adv. Mater. 2015, 27, 3310 10.1002/adma.201501214
17. Yuan, M.; Durban, M. M.; Kazarinoff, P. D.; Zeigler, D. F.; Rice, A. H.; Segawa, Y.; Luscombe, C. K. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2013, 51, 4061 10.1002/pola.26812
18. Durban, M. M.; Kazarinoff, P. D.; Segawa, Y.; Luscombe, C. K. Macromolecules 2011, 44, 4721 10.1021/ma2004822
19. Chiechi, R. C.; Havenith, R. W. A.; Hummelen, J. C.; Koster, L. J. A.; Loi, M. A. Mater. Today 2013, 16, 281 10.1016/j.mattod.2013.07.003
20. Zhou, N. J.; Lin, H.; Lou, S. J.; Yu, X. G.; Guo, P. J.; Manley, E. F.; Loser, S.; Hartnett, P.; Huang, H.; Wasielewski, M. R.; Chen, L. X.; Chang, R. P. H.; Facchetti, A.; Marks, T. J. Adv. Energy Mater. 2014, 4, 8 10.1002/aenm.201300785
21. Li, C.; Wonneberger, H. Adv. Mater. 2012, 24, 613 10.1002/adma.201104447
22. Jung, I. H.; Lo, W.-Y.; Jang, J.; Chen, W.; Zhao, D.; Landry, E. S.; Lu, L.; Talapin, D. V.; Yu, L. Chem. Mater. 2014, 26, 3450 10.1021/cm500832h
23. Jung, I. H.; Zhao, D.; Jang, J.; Chen, W.; Landry, E. S.; Lu, L.; Talapin, D. V.; Yu, L. Chem. Mater. 2015, 27, 5941 10.1021/acs.chemmater.5b01928
24. Bisri, S. Z.; Piliego, C.; Gao, J.; Loi, M. A. Adv. Mater. 2014, 26, 1176 10.1002/adma.201304280
25. Fabiano, S.; Wang, H.; Piliego, C.; Jaye, C.; Fischer, D. A.; Chen, Z.; Pignataro, B.; Facchetti, A.; Loo, Y.-L.; Loi, M. A. Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 4479 10.1002/adfm.201101427
26. Piliego, C.; Jarzab, D.; Gigli, G.; Chen, Z.; Facchetti, A.; Loi, M. A. Adv. Mater. 2009, 21, 1573 10.1002/adma.200803207
27. Hwang, Y.-J.; Earmme, T.; Courtright, B. A. E.; Eberle, F. N.; Jenekhe, S. A. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4424 10.1021/ja513260w
28. Li, H.; Hwang, Y.-J.; Courtright, B. A. E.; Eberle, F. N.; Subramaniyan, S.; Jenekhe, S. A. Adv. Mater. 2015, 27, 3266 10.1002/adma.201500577
29. Facchetti, A. Mater. Today 2013, 16, 123 10.1016/j.mattod.2013.04.005
30. Salleo, A.; Kline, R. J.; DeLongchamp, D. M.; Chabinyc, M. L. Adv. Mater. 2010, 22, 3812 10.1002/adma.200903712
31. Noriega, R.; Rivnay, J.; Vandewal, K.; Koch, F. P. V.; Stingelin, N.; Smith, P.; Toney, M. F.; Salleo, A. Nat. Mater. 2013, 12, 1038 10.1038/nmat3722
32. Spano, F. C.; Silva, C. Annu. Rev. Phys. Chem. 2014, 65, 477 10.1146/annurev-physchem-040513-103639
33. Noriega, R.; Rivnay, J.; Vandewal, K.; Koch, F. P. V.; Stingelin, N.; Smith, P.; Toney, M. F.; Salleo, A. Nat. Mater. 2013, 12, 1038 10.1038/nmat3722
34. Liu, C.; Wang, K.; Hu, X.; Yang, Y.; Hsu, C.-H.; Zhang, W.; Xiao, S.; Gong, X.; Cao, Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 12163 10.1021/am404157t
35. Bartelt, J. A.; Douglas, J. D.; Mateker, W. R.; Labban, A. E.; Tassone, C. J.; Toney, M. F.; Fréchet, J. M. J.; Beaujuge, P. M.; McGehee, M. D. Adv. Energy Mater. 2014, 4, n/a 10.1002/aenm.201301733
36. Veenstra, S. C.; Loos, J.; Kroon, J. M. Prog. Photovoltaics 2007, 15, 727 10.1002/pip.796
37. Menczel, J. D.; Judovits, L.; Prime, R. B.; Bair, H. E.; Reading, M.; Swier, S. Thermal Analysis of Polymers; John Wiley & Sons, Inc.: New York, 2008; p 7.
38. Zhou, N.; Buchholz, D. B.; Zhu, G.; Yu, X.; Lin, H.; Facchetti, A.; Marks, T. J.; Chang, R. P. H. Adv. Mater. 2014, 26, 1098 10.1002/adma.201302303
39. Schubert, M.; Dolfen, D.; Frisch, J.; Roland, S.; Steyrleuthner, R.; Stiller, B.; Chen, Z. H.; Scherf, U.; Koch, N.; Facchetti, A.; Neher, D. Adv. Energy Mater. 2012, 2, 369 10.1002/aenm.201100601
40. Podzorov, V. Nat. Mater. 2013, 12, 947 10.1038/nmat3790
41. Hwang, Y.-J.; Courtright, B. A. E.; Ferreira, A. S.; Tolbert, S. H.; Jenekhe, S. A. Adv. Mater. 2015, 27, 4578 10.1002/adma.201501604
42. Meager, I.; Ashraf, R. S.; Nielsen, C. B.; Donaghey, J. E.; Huang, Z.; Bronstein, H.; Durrant, J. R.; McCulloch, I. J. Mater. Chem. C 2014, 2, 8593 10.1039/C4TC01594K
43. Subbiah, J.; Purushothaman, B.; Chen, M.; Qin, T.; Gao, M.; Vak, D.; Scholes, F. H.; Chen, X.; Watkins, S. E.; Wilson, G. J.; Holmes, A. B.; Wong, W. W. H.; Jones, D. J. Adv. Mater. 2015, 27, 702 10.1002/adma.201403080
44. Xiao, Z.; Sun, K.; Subbiah, J.; Qin, T.; Lu, S.; Purushothaman, B.; Jones, D. J.; Holmes, A. B.; Wong, W. W. H. Polym. Chem. 2015, 6, 2312 10.1039/C4PY01631A
45. Kingsley, J. W.; Marchisio, P. P.; Yi, H.; Iraqi, A.; Kinane, C. J.; Langridge, S.; Thompson, R. L.; Cadby, A. J.; Pearson, A. J.; Lidzey, D. G.; Jones, R. A. L.; Parnell, A. J. Sci. Rep. 2014, 4, 5286 10.1038/srep05286
46. Chu, T.-Y.; Lu, J.; Beaupré, S.; Zhang, Y.; Pouliot, J.-R.; Zhou, J.; Najari, A.; Leclerc, M.; Tao, Y. Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 2345 10.1002/adfm.201102623
47. Osaka, I.; Saito, M.; Mori, H.; Koganezawa, T.; Takimiya, K. Adv. Mater. 2012, 24, 425 10.1002/adma.201103065
48. Coffin, R. C.; Peet, J.; Rogers, J.; Bazan, G. C. Nat. Chem. 2009, 1, 657 10.1038/nchem.403
49. Müller, C.; Wang, E.; Andersson, L. M.; Tvingstedt, K.; Zhou, Y.; Andersson, M. R.; Inganäs, O. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 2124 10.1002/adfm.201000224
50. Gibson, G. L.; Gao, D.; Jahnke, A. A.; Sun, J.; Tilley, A. J.; Seferos, D. S. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 14468 10.1039/C4TA02820A
51. Harschneck, T.; Zhou, N.; Manley, E. F.; Lou, S. J.; Yu, X.; Butler, M. R.; Timalsina, A.; Turrisi, R.; Ratner, M. A.; Chen, L. X.; Marks, T. J. Chem. Commun. 2014, 50, 9609 10.1039/c3cc49620a
52. Li, W.; Yang, L.; Tumbleston, J. R.; Yan, L.; Ade, H.; You, W. Adv. Mater. 2014, 26, 4456 10.1002/adma.201305251
53. Stille, J. K. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1986, 25, 508 10.1002/anie.198605081
54. Carsten, B.; He, F.; Son, H. J.; Xu, T.; Yu, L. Chem. Rev. 2011, 111, 1493 10.1021/cr100320w
55. Odian, G. Principles of Polymerization; John Wiley & Sons, Inc.: New York, 2004; p 198.
56. Karpov, Y.; Zhao, W.; Raguzin, I.; Beryozkina, T.; Bakulev, V.; Al-Hussein, M.; Häußler, L.; Stamm, M.; Voit, B.; Facchetti, A.; Tkachov, R.; Kiriy, A. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 12478 10.1021/am507759u
57. Steyrleuthner, R.; Schubert, M.; Howard, I.; Klaumünzer, B.; Schilling, K.; Chen, Z.; Saalfrank, P.; Laquai, F.; Facchetti, A.; Neher, D. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 18303 10.1021/ja306844f
58. Steyrleuthner, R.; Di Pietro, R.; Collins, B. A.; Polzer, F.; Himmelberger, S.; Schubert, M.; Chen, Z.; Zhang, S.; Salleo, A.; Ade, H.; Facchetti, A.; Neher, D. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4245 10.1021/ja4118736
59. Yan, H.; Chen, Z.; Zheng, Y.; Newman, C.; Quinn, J. R.; Dotz, F.; Kastler, M.; Facchetti, A. Nature 2009, 457, 679 10.1038/nature07727
60. Guo, X.; Zhou, N.; Lou, S. J.; Hennek, J. W.; Ponce Ortiz, R.; Butler, M. R.; Boudreault, P.-L. T.; Strzalka, J.; Morin, P.-O.; Leclerc, M.; López Navarrete, J. T.; Ratner, M. A.; Chen, L. X.; Chang, R. P. H.; Facchetti, A.; Marks, T. J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 18427 10.1021/ja3081583
61. Zhou, N.; Guo, X.; Ortiz, R. P.; Li, S.; Zhang, S.; Chang, R. P. H.; Facchetti, A.; Marks, T. J. Adv. Mater. 2012, 24, 2242 10.1002/adma.201103948
62. Gibson, G. L.; Gao, D.; Jahnke, A. A.; Sun, J.; Tilley, A. J.; Seferos, D. S. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 14468 10.1039/C4TA02820A
63. Halkyard, C. E.; Rampey, M. E.; Kloppenburg, L.; Studer-Martinez, S. L.; Bunz, U. H. F. Macromolecules 1998, 31, 8655 10.1021/ma9812332
64. Kim, J.; Swager, T. M. Nature 2001, 411, 1030 10.1038/35082528
65. Scharber, M. C.; Mühlbacher, D.; Koppe, M.; Denk, P.; Waldauf, C.; Heeger, A. J.; Brabec, C. J. Adv. Mater. 2006, 18, 789 10.1002/adma.200501717
66. Ameri, T.; Dennler, G.; Lungenschmied, C.; Brabec, C. J. Energy Environ. Sci. 2009, 2, 347 10.1039/b817952b
67. Djurovich, P. I.; Mayo, E. I.; Forrest, S. R.; Thompson, M. E. Org. Electron. 2009, 10, 515 10.1016/j.orgel.2008.12.011
68. D'Andrade, B. W.; Datta, S.; Forrest, S. R.; Djurovich, P.; Polikarpov, E.; Thompson, M. E. Org. Electron. 2005, 6, 11 10.1016/j.orgel.2005.01.002
69. McCulloch, I.; Heeney, M.; Chabinyc, M. L.; DeLongchamp, D.; Kline, R. J.; Cölle, M.; Duffy, W.; Fischer, D.; Gundlach, D.; Hamadani, B.; Hamilton, R.; Richter, L.; Salleo, A.; Shkunov, M.; Sparrowe, D.; Tierney, S.; Zhang, W. Adv. Mater. 2009, 21, 1091 10.1002/adma.200801650
70. Liu, F.; Chen, D.; Wang, C.; Luo, K.; Gu, W.; Briseno, A. L.; Hsu, J. W. P.; Russell, T. P. ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 19876 10.1021/am505283k
71. Zen, A.; Saphiannikova, M.; Neher, D.; Grenzer, J.; Grigorian, S.; Pietsch, U.; Asawapirom, U.; Janietz, S.; Scherf, U.; Lieberwirth, I.; Wegner, G. Macromolecules 2006, 39, 2162 10.1021/ma0521349
72. Huang, H.; Zhou, N.; Ortiz, R. P.; Chen, Z.; Loser, S.; Zhang, S.; Guo, X.; Casado, J.; López Navarrete, J. T.; Yu, X.; Facchetti, A.; Marks, T. J. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 2782 10.1002/adfm.201303219
73. Mandoc, M. M.; Veurman, W.; Koster, L. J. A.; de Boer, B.; Blom, P. W. M. Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 2167 10.1002/adfm.200601110
74. McNeill, C. R.; Halls, J. J. M.; Wilson, R.; Whiting, G. L.; Berkebile, S.; Ramsey, M. G.; Friend, R. H.; Greenham, N. C. Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 2309 10.1002/adfm.200800182
75. Fabiano, S.; Himmelberger, S.; Drees, M.; Chen, Z. H.; Altamimi, R. M.; Salleo, A.; Loi, M. A.; Facchetti, A. Adv. Energy Mater. 2014, 4, 7 10.1002/aenm.201301409
76. Bartesaghi, D.; Perez, I. d. C.; Kniepert, J.; Roland, S.; Turbiez, M.; Neher, D.; Koster, L. J. A. Nat. Commun. 2015, 6, 7083 10.1038/ncomms8083
77. Peet, J.; Kim, J. Y.; Coates, N. E.; Ma, W. L.; Moses, D.; Heeger, A. J.; Bazan, G. C. Nat. Mater. 2007, 6, 497 10.1038/nmat1928
78. Peet, J.; Heeger, A. J.; Bazan, G. C. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1700 10.1021/ar900065j
79. Smilgies, D.-M. J. Appl. Crystallogr. 2009, 42, 1030 10.1107/S0021889809040126
80. Sumpter, B. G.; Meunier, V. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2012, 50, 1071 10.1002/polb.23075
81. Lee, C.-K.; Pao, C.-W.; Chu, C.-W. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 4124 10.1039/c1ee01508g
82. Humphrey, W.; Dalke, A.; Schulten, K. J. Mol. Graphics 1996, 14, 33 10.1016/0263-7855(96)00018-5
83. Glaser, J.; Nguyen, T. D.; Anderson, J. A.; Lui, P.; Spiga, F.; Millan, J. A.; Morse, D. C.; Glotzer, S. C. Comput. Phys. Commun. 2015, 192, 97 10.1016/j.cpc.2015.02.028
84. Anderson, J. A.; Lorenz, C. D.; Travesset, A. J. Comput. Phys. 2008, 227, 5342 10.1016/j.jcp.2008.01.047
85. Nose, S. Mol. Phys. 1984, 52, 255 10.1080/00268978400101201
86. Hoover, W. G. Phys. Rev. A: At., Mol., Opt. Phys. 1985, 31, 1695 10.1103/PhysRevA.31.1695