Published November 10, 2014 | Version v1
Publication Open

Aggregation and morphology control enables multiple cases of high-efficiency polymer solar cells

Creators

  • 1. Hong Kong University of Science and Technology
  • 2. University of Hong Kong
  • 3. North Carolina State University
  • 4. HKUST Shenzhen Research Institute

Description

Abstract Although the field of polymer solar cell has seen much progress in device performance in the past few years, several limitations are holding back its further development. For instance, current high-efficiency (>9.0%) cells are restricted to material combinations that are based on limited donor polymers and only one specific fullerene acceptor. Here we report the achievement of high-performance (efficiencies up to 10.8%, fill factors up to 77%) thick-film polymer solar cells for multiple polymer:fullerene combinations via the formation of a near-ideal polymer:fullerene morphology that contains highly crystalline yet reasonably small polymer domains. This morphology is controlled by the temperature-dependent aggregation behaviour of the donor polymers and is insensitive to the choice of fullerenes. The uncovered aggregation and design rules yield three high-efficiency (>10%) donor polymers and will allow further synthetic advances and matching of both the polymer and fullerene materials, potentially leading to significantly improved performance and increased design flexibility.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

نبذة مختصرة على الرغم من أن مجال الخلايا الشمسية البوليمرية قد شهد تقدمًا كبيرًا في أداء الجهاز في السنوات القليلة الماضية، إلا أن العديد من القيود تعيق تطويره. على سبيل المثال، تقتصر الخلايا الحالية عالية الكفاءة (>9.0 ٪) على تركيبات المواد التي تعتمد على بوليمرات مانحة محدودة ومتقبل فوليرين محدد واحد فقط. نبلغ هنا عن تحقيق خلايا شمسية بوليمرية غشائية سميكة عالية الأداء (كفاءات تصل إلى 10.8 ٪، وعوامل تعبئة تصل إلى 77 ٪) لبوليمرات متعددة: تركيبات الفوليرين عبر تكوين بوليمر شبه مثالي: مورفولوجيا الفوليرين التي تحتوي على مجالات بوليمر عالية التبلور ولكنها صغيرة بشكل معقول. يتم التحكم في هذا الشكل من خلال سلوك التجميع المعتمد على درجة الحرارة للبوليمرات المانحة وهو غير حساس لاختيار الفوليرين. تسفر قواعد التجميع والتصميم غير المغطاة عن ثلاثة بوليمرات مانحة عالية الكفاءة (>10 ٪) وستسمح بمزيد من التقدم الصناعي ومطابقة كل من البوليمر ومواد الفوليرين، مما قد يؤدي إلى تحسين الأداء بشكل كبير وزيادة مرونة التصميم.

Translated Description (French)

Résumé Bien que le domaine des cellules solaires polymères ait connu de nombreux progrès dans les performances des dispositifs au cours des dernières années, plusieurs limitations freinent son développement ultérieur. Par exemple, les cellules actuelles à haut rendement (>9,0 %) sont limitées à des combinaisons de matériaux basées sur des polymères donneurs limités et un seul accepteur de fullerène spécifique. Nous rapportons ici la réalisation de cellules solaires polymères à film épais à haute performance (efficacité jusqu'à 10,8 %, facteurs de remplissage jusqu'à 77 %) pour des combinaisons polymères multiples :fullerène via la formation d'une morphologie polymère quasi-idéale :fullerène qui contient des domaines polymères hautement cristallins mais raisonnablement petits. Cette morphologie est contrôlée par le comportement d'agrégation des polymères donneurs en fonction de la température et est insensible au choix des fullerènes. Les règles d'agrégation et de conception découvertes produisent trois polymères donneurs à haut rendement (>10 %) et permettront de nouvelles avancées synthétiques et l'appariement des matériaux polymère et fullerène, conduisant potentiellement à des performances considérablement améliorées et à une flexibilité de conception accrue.

Translated Description (Spanish)

Resumen Aunque el campo de la célula solar de polímero ha visto mucho progreso en el rendimiento del dispositivo en los últimos años, varias limitaciones están frenando su desarrollo. Por ejemplo, las células actuales de alta eficiencia (>9.0%) están restringidas a combinaciones de materiales que se basan en polímeros donantes limitados y solo un aceptor de fullereno específico. Aquí informamos el logro de células solares de polímero de película gruesa de alto rendimiento (eficiencias de hasta 10.8%, factores de relleno de hasta 77%) para múltiples combinaciones de polímero:fullereno a través de la formación de una morfología de polímero:fullereno casi ideal que contiene dominios de polímero altamente cristalinos pero razonablemente pequeños. Esta morfología está controlada por el comportamiento de agregación dependiente de la temperatura de los polímeros donantes y es insensible a la elección de los fullerenos. Las reglas de agregación y diseño descubiertas producen tres polímeros donantes de alta eficiencia (>10%) y permitirán avances sintéticos adicionales y la coincidencia de los materiales de polímero y fullereno, lo que podría conducir a un rendimiento significativamente mejorado y una mayor flexibilidad de diseño.

Files

ncomms6293.pdf.pdf

Files (614.9 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:9e31d8779b3f5ea2989f6cf3cac690d4
614.9 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
يتيح التحكم في التجميع والمورفولوجيا حالات متعددة من الخلايا الشمسية البوليمرية عالية الكفاءة
Translated title (French)
L'agrégation et le contrôle de la morphologie permettent de multiples cas de cellules solaires polymères à haute efficacité
Translated title (Spanish)
El control de agregación y morfología permite múltiples casos de células solares poliméricas de alta eficiencia

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2039618794
DOI
10.1038/ncomms6293

Is supplement to
https://openalex.org/W3008221745 (Other)
https://openalex.org/W3006978251 (Other)
https://openalex.org/W2963691714 (Other)
https://openalex.org/W2955739249 (Other)
https://openalex.org/W2897559261 (Other)
https://openalex.org/W2893250065 (Other)
https://openalex.org/W2809717965 (Other)
https://openalex.org/W2333321978 (Other)
https://openalex.org/W2081345435 (Other)
https://openalex.org/W2005355378 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1969111133
  • https://openalex.org/W1969886381
  • https://openalex.org/W1971302485
  • https://openalex.org/W1978553740
  • https://openalex.org/W1984522541
  • https://openalex.org/W1986246135
  • https://openalex.org/W1989478542
  • https://openalex.org/W1990245069
  • https://openalex.org/W2011890737
  • https://openalex.org/W2015240500
  • https://openalex.org/W2026908288
  • https://openalex.org/W2033789561
  • https://openalex.org/W2038525620
  • https://openalex.org/W2039512260
  • https://openalex.org/W2050705723
  • https://openalex.org/W2050892587
  • https://openalex.org/W2063740446
  • https://openalex.org/W2063913793
  • https://openalex.org/W2068220476
  • https://openalex.org/W2071134066
  • https://openalex.org/W2096320304
  • https://openalex.org/W2097795991
  • https://openalex.org/W2098508266
  • https://openalex.org/W2105457180
  • https://openalex.org/W2117213474
  • https://openalex.org/W2121585260
  • https://openalex.org/W2123711607
  • https://openalex.org/W2124790005
  • https://openalex.org/W2132872217
  • https://openalex.org/W2134546792
  • https://openalex.org/W2154113062
  • https://openalex.org/W2168394937
  • https://openalex.org/W2170417036
  • https://openalex.org/W2170938508
  • https://openalex.org/W2315295378
  • https://openalex.org/W2318712086
  • https://openalex.org/W2320645230
  • https://openalex.org/W2324099343
  • https://openalex.org/W2324382697
  • https://openalex.org/W4229971916