Top Banner
Diphenylmethanofullerenes: New and Efficient Acceptors in Bulk-Heterojunction Solar Cells** By Ingo Riedel,* Elizabeth von Hauff , Jürgen Parisi, Nazario Martín, Francesco Giacalone, and Vladimir Dyakonov 1. Introduction Conjugated polymers exhibit a high potential for production of efficient and, at the same time, low-cost, flexible optoelec- tronic devices with the option for large-area applications. [1] One approach for achieving an efficient charge-carrier genera- tion in polymer-based light absorbers is to blend them with well-suited acceptors. Upon photoexcitation, an ultrafast elec- tron transfer between the donor and the proximate acceptor takes place. This ensures an efficient charge generation with a quantum efficiency close to unity. [2,3] One of the most exten- sively studied device concepts so far is based on the bulk-het- erojunction approach. [4,5] Here, acceptor-type fullerene mole- cules are dispersed in a polymer matrix, giving a photoactive film with a large geometrical interface between donor and ac- ceptor. The thin absorber film is sandwiched between two elec- trodes with asymmetric workfunctions, with each electrode forming an ohmic contact with the respective p- or n-type semi- conductor. For solar cells based on the polymer±fullerene bulk-heterojunction concept, power conversion efficiencies of up to 5 % have been reported. [6] Among the most frequently investigated material combinations in polymer photovoltaics are the p-type conjugated polymers, such as poly[2-methoxy-5- (3¢,7¢-dimethyloctyloxy)-p-phenylene vinylene] (OC 1 C 10 -PPV) and poly(alkyl thiophene)s, for example, poly[3-hexyl thio- phene-2,5-diyl] (P3HT), each blended with the electron accep- Adv. Funct. Mater. 2005, 15, 1979±1987 DOI: 10.1002/adfm.200500097 2005 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 1979 ± [*] Dr. I. Riedel, Prof. V. Dyakonov Bavarian Centre for Applied Energy Research (ZAE-Bayern) Division Thermal Insulation and Heat Transfer Am Hubland, D-97074 Würzburg (Germany) E-mail: [email protected] Dr. I. Riedel, E. von Hauff, Prof. J. Parisi Institute of Physics Energy and Semiconductor Research Laboratory University of Oldenburg D-26111 Oldenburg (Germany) Prof. N. Martín, Dr. F. Giacalone Department of Organic Chemistry Universidad Complutense de Madrid (UCM) ES-28040 Madrid (Spain) Prof. V. Dyakonov Experimental Physics VI (Energy Research) Department of Physics and Astronomy University of Würzburg D-97074 Würzburg (Germany) [**] The authors gratefully thank D. Vanderzande and L. Lutsen (LUC Bel- gium) for providing OC 1 C 10 -PPV, J. C. Hummelen for donation of PCBM, and C. Waldauf, P. Schilinsky, and C. J. Brabec (Konarka, Aus- tria) for discussions and simulations of dark J±V characteristics. Many thanks go to M. Pientka, M. Knipper, D. Chirvase, and H. Koch (University of Oldenburg) for their contribution in various dis- cussions and technical assistance. This work was supported by the European Commission, EC (project HPRN-CT-2000-00127), by the Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF (BMBF projects 01SF0019 and 01SF0026), and by the Spanish Ministry of Sciences and Technology (Ministerio Ciencia y Tecnología, McyT) of Spain project (BQU2002-00855). G. Wittstock (Univ. Oldenburg, Ger- many) is acknowledged for providing the AFM setup. A novel fullerene derivative, 1,1-bis(4,4¢-dodecyloxyphenyl)-(5,6) C 61 , diphenylmethanofullerene (DPM-12), has been investi- gated as a possible electron acceptor in photovoltaic devices, in combination with two different conjugated polymers poly[2- methoxy-5-(3¢,7¢-dimethyloctyloxy)-para-phenylene vinylene] (OC 1 C 10 -PPV) and poly[3-hexyl thiophene-2,5-diyl] (P3HT). High open-circuit voltages, V OC =0.92 and 0.65 V, have been measured for OC 1 C 10 -PPV:DPM-12- and P3HT:DPM-12-based devices, respectively. In both cases, V OC is 100 mV above the values measured on devices using another routinely used fullerene acceptor, [6,6]-phenyl-C 61 butyric acid methyl ester (PCBM). This is somewhat unexpected when taking into account the identi- cal redox potentials of both acceptor materials at room temperature. The temperature-dependent V OC reveals, however, the same effective bandgap (HOMO Polymer ±LUMO Fullerene ; HOMO = highest occupied molecular orbital, LUMO = lowest unoccu- pied molecular orbital) of 1.15 and 0.9 eV for OC 1 C 10 -PPV and P3HT, respectively, independent of the acceptor used. The higher V OC at room temperature is explained by different ideality factors in the dark-diode characteristics. Under white-light illumination (80 mW cm ±2 ), photocurrent densities of 1.3 and 4.7 mA cm ±2 have been obtained in the OC 1 C 10 -PPV:DPM-12- and P3HT:DPM-12-based devices, respectively. Temperature-dependent current density versus voltage characteristics reveal a thermally activated (shallow trap recombination limited) photocurrent in the case of OC 1 C 10 -PPV:DPM-12, and a nearly temperature-independent current density in P3HT:DPM-12. The latter clearly indicates that charge carriers traverse the active layer without significant recombination, which is due to the higher hole-mobility±lifetime product in P3HT. At the same time, the field-effect electron mobility in pure DPM-12 has been found to be l e =210 ±4 cm 2 V ±1 s ±1 , that is, forty-times lower than the one measured in PCBM (l e =810 ±3 cm 2 V ±1 s ±1 ). FULL PAPER
9

Diphenylmethanofullerenes: New and Efficient Acceptors in Bulk-Heterojunction Solar Cells

Feb 08, 2023

Download

Documents

Enzo Bivona
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Diphenylmethanofullerenes: New and Efficient Acceptors in Bulk-Heterojunction Solar Cells

������������� ���������� ��� ��� � ����� ���������� ����������������� ����� �������

�� ���� ������� ��� ��� ��� ������ ������ ������� ������� ������� ��������� ��������� ������� �� !"�#����

! "���������

����� �� ������� ������ � ���� � �� ��� �� ����� ��� �������� ���� � �� ���� ���� ����� � �������� � ����� ���� ������� �� � �� � �� �� ���������� ������� ������

!�� ������� �� ��������� �� �������� �������������� ������� �� �� ������������ ���� �������� �� ����� ��� �� ��������� �� ����� ��� "�� �� ���� � ��� �� �� ����� ����� �� ������� �� ���� �� ��� ��� �� ������ � ����� � �#�� ������ $��� ������� �� �������� ������ ������ �� �� � �%��� �� ���������� ���� ��� ���&�' !�� � �� �� �� ��������� � ����� ������ ����� � � ��� �� ����� � �� ���#��� ������ �� ���������(�) *���� ����� �� ��� ��������� ��������� ��� ��������� �� � ������ �� ���� ������ � �� �� ������� �� � � ����� ���� ����� �� ������ �� ���� ��� ��� ������ �� $�� ��� ������� ���� �� ���������� �� ���� � ����� ���� �� � ������ ��� ��#���� ���� �� � ���� ���� ��������� �� ���� �� �� �� � �� ������ ��� �� � �� ��� ���������� �� +� ���� ����� ����� � �� ������,������������#��� ����� �� ����� � ���� �������� ������������ ��� ) - ���� ���� ���� ����. /��� �� �� ���%��� ������� ��� �� �� ����� ������ ��� �� ������ �� �� ������� �� �� ��� ����� �� �������� ���� �� ����&��� ����)�0'��1������ ���� ����2�$���������� �������� 0!����3�4452��� ���0��#�� �������2�� �� �������� ����'������ ���������&�)����� 04'*$2� ���� ������� �� � �� ���� �� ������

���� ����� �� � ����� ��� ��������� ���� �������� ���������� � � �� ������ ������ ���� � ��� ��� � ��!"#�!� ����

,$%& '�� �� (!�)��� *��+� �� ',�-�"�.

/�.��!�" ��"0�� +�� 11�!�) �"���, (�2���3# 45 ��/�,��"6'!.!2!�" 7#����� �"28��0!�" �") ���0 7��"2+�� � �8���")� '����9 �:�;�8�� 4�����",6����!�< !"����!�)��=1#,2!-�8"!�>8��;�8���)�'�� �� (!�)��� �� .�" ��8++� *��+� ?� *��!2!�"20!080� �+ *#,2!32�"���, �") @��!3�")830�� (�2���3# �����0��,A"!.��2!0, �+ B�)�"�8��'��C��� B�)�"�8�� 4�����",6*��+� D� E��0F"� '�� G� �!�3���"�'�1��0��"0 �+ B���"!3 �#��!20�,A"!.��2!)�) ���1�80�"2� )� E�)�!) 4A�E6�@���9 E�)�!) 4@1�!"6*��+� �� ',�-�"�.�H1��!��"0�� *#,2!32 �� 4�"���, (�2���3#6'�1��0��"0 �+ *#,2!32 �") 20��"��,A"!.��2!0, �+ �:�;�8��'����9 �:�;�8�� 4�����",6

$%%& 7#� �80#��2 ���0�+8��, 0#�"- '� ��")��;�")� �") � 802�" 4 A� /����!8�6 +�� 1��.!)!"� B�����**�� ?� �� �8�����" +�� )�"�0!�" �+*�/E� �") �� ���)�8+� *� @3#!�!"2-,� �") �� ?� /����3 4��"��-�� 82�0�!�6 +�� )!23822!�"2 �") 2!�8��0!�"2 �+ )��- ��� 3#���30��!20!32�E�", 0#�"-2 �� 0� E� *!�"0-�� E� �"!11��� '� �#!�.�2�� �") �� ��3#4A"!.��2!0, �+ B�)�"�8��6 +�� 0#�!� 3�"0�!�80!�" !" .��!�82 )!2�3822!�"2 �") 0�3#"!3�� �22!20�"3�� 7#!2 >��- >�2 2811��0�) �, 0#��8��1��" ����!22!�"� �� 41��I�30 �*(D��7������6� �,0#� /8")�2�!"!20��!8� +:� /!�)8"� 8") G��23#8"�� /E/G 4/E/G1��I�302 �@G�� �") �@G�C6� �") �, 0#� @1�"!2# E!"!20�, �+@3!�"3�2 �") 7�3#"����, 4E!"!20��!� �!�"3!� , 7�3"����F�� E3,76 �+@1�!" 1��I�30 4/JA����6� �� �!0020�3- 4A"!.� B�)�"�8��� ������",6 !2 �3-"�>��)��) +�� 1��.!)!"� 0#� GE 2�081�

/ ���� ��������� ������ ���� �������0(�(����������������2�0)�.2 �.�� ���������� ������������ 0647��&2� ��� ���� ����� ���� �� �� � ������� ���� �� ����� � �� �� �� ��� �������� �� ������ �� �� � � �������� ����� �� ������� ����&��� ����)�0'��1������ ���� ����2�$������������� �������� 0!����3�4452 ��� ����'������ ��������&�)����� 04'*$2�*��� ���������� �� ����� �!� 8 3�9& ��� 3�.) 5� ���� ���� �������� �� !����3�445:647��&� ��� 4'*$:647��&�������������� ������ ������ ;� � � ������ �!� �� �33 �5���� �� ������ �������� � ������� ����� �� ��� �� ����� ���� �������������� �� �.�. ���������.� �� ���� ���� �� ��� �� �� 04��72� $��� �� ������ ������� �� ���� �#��� �� ����� �� ���� ����� ���� � �� ���� � � � ����� � �� ������ � �� ������ ���� $�� ������ ������������ �!� �������� ������� ������ ����� ��� ������� 0*!7!4�����,<"7!+��������= *!7!8 ������ ������� �������� ��� ��� <"7! 8 ���� ���������� �������� ��� ��2 � ���) ��� 3�9 �5 �� !����3�445 ��� 4'*$� ������ ������ ���������� � �� ����� � ����� $�������� �!� � �� ������ ��� �� ��������� �� �������� ������ � ��� �� �� �� ���#����� ������ ���� ���� "���� ��� ������ �������� �� 0>3 �?��,&2� �� ������ ����� ��� � ��' ��� (�1 �/ ��,& ���� ���� � ����� �� �� !����3�445:647��&���� 4'*$:647��&������ �������� ������ ������ $������ ������������ ������ ����� � ������ �� ��� ������ ���� ��� ������ � �������� �� ��� �� 0������ ��� �������� �� ���� ��2 �� ������ �� �� ���� � !����3�445:647��&� ��� � ������ ������ �������������� ������ ����� � �� 4'*$:647��&� $�� �� �� ������� ������ �� �� ������ �������� ������� �� �� �������� �� �� ���������� �������� ��� ����� �� ��� �� ������ ��������� �,���� ��� ����� �� 4'*$� / �� ���� ���� �� ����������� ���� �� ����� � �� ���� 647��& ��� ���� ���� �� �� 8 & @ �3,( ��& 5,� �,�� �� ��� �� �� ���� ���� ��� �� �� �������� �� 4��7 0�� 8 > @ �3,' ��& 5,� �,�2�

����

�����

Page 2: Diphenylmethanofullerenes: New and Efficient Acceptors in Bulk-Heterojunction Solar Cells

� �.�. ���������.� �� ���� ���� �� ��� �� �� 04��72� $����������,��������� ������ ����� �� � ��� �� �������� ������� ���� ��� � �������������� ������ � ;� !����3�445:4��7������ �������� �� �� ������ �� �������� �� ��� �� ����� �������� �� �� ������ ������1 ;� �� ��� � ��4'*$:4��7������ ������ ���� � ������ ������ ��������������� ��� ������� ������ ����� � 0�A�2 �� ���� � �� ��������� �� ��� �� � �� ������ ������> $��� �� � ����� � �� ����������� �� �� ����� �,���� ��� ����� � ������ �������� ��� � �� ����� ������ ���� /� ��� � ��#��� ��� ��� � ����������� �� �� �������� ���������� �� ���� 0�!�2� ������� ��� ���� 3�>&,3�>) 5 �� !����3�445:4��7 ��� 3�)),3�. 5 ��4'*$:4��7 0������� ����� �� ���� ���� ��� �� ������������� �� ����B����� ������ ���� ������� :����� ����������� � � ;$!B4C6!$:4AA� ��� ��������2� �� ���� �� ������ ��� �������� ����� �� �� ������ ������� �������� ��� ��� 0*!7!2 ����� � 4'*$ 0� !����3�4452 ��� �� ���� ��������� �������� ��� �� 0<"7!2 ����� � 4��7��9 ����������� � ���� �������� � ;� � �������� �������� �� �!� ����#��� ����� �� ���� ����� �� ������� �� �� ��#���� ������������ � �� �� �� ������ �������3 � � ��� ���� ��������� � � ���� ���� ��� ���� �� �� � �� � �� ������ ���*!7! ��� <"7! � � ���

*������ �� ���� � �� �� �� ��� �� �� � �� ������������� ������ ��� �������0(�(����������������2�0)�.2 �.������������� ������������ 0647��&2 ������� �� � � ������ �� �������� !����3�445 ��� 4'*$� $�#��� �� ����� �� ���� ���� ���� � �� ���� � 647��& ��� 4��7 � �� ������ ������ ��� �� ��� �� �� ���� ���� ��� �� ���������� ���� �� �� ���� ��� �� ���� ���� ���� ������ � �!�

��� ����� ��� ;� �� ��� � �� ������� ����� � 647��& ������ � �33 �5 ������ �!� ������� ������� �� ��� 4��7 ������� �� +�� �� ������ ������������ � ��� � �!�� ��������� �� �� �� ����� �� �!� � %8 3 D �������� � ����������� ����� �� �� ����� ��� ��������

#! $�����

647��& �� � ��� �� ������������� ����� ������ � � ��������� �� 0�&�2 ��� � ��� ��#�� ������ �� ������ ����%����� ������� � �� �� ����������� � � �� �� ����� �� �� ������� �� � �� �� ��� �������� $�� �������� � ����E��� ����� �� ���� � ��� � � �� �� ������������ �������� � �������� ���������� �������� �� ���� �� �� ���� � � ����� ������������� �,� �� ���� ���� $�������� �� ����647��& ��� ��� �������� ��� �� � �� �����#��� �� ������������� ������ ��� 4��7� ���� ���� �� � ��� ���� ������������ ��#� 647��& �� �� ���� ��� ��� �� ����� �� � ������� �� ������� �� � ������ ���� ������ ;������ �� �������� � 4��7� ��� 647��&������ ������ �� �� �������� ���������� � ��� �� ��������� �� ���� � �������� �������� �������� �� �� �� ���# ���� ������ ���� ��� � �� �� �� ����������� +����� � ����� � �� �������� � ��� ���� � �� ������ �� ������� ��� ��������� ������ ���� ���� �� �� ��� �������� �� ������ ������ $�� ��� � 647��& �� �� ����� � ��� ����� ��� � �� ����� ��� ���� ���� ��� ���� �� � ����

����� �� ���� �� � ������ �� � 4'*$ ��� !����3�445���� ������� �� ������ ��� ����� �� �� � �� �� ������������� 4��7���& +����� &� ���� �� ��������� ���������� ,�� ��� 0�&�2 ������ ���� ��� � �� ;$!B4C6!$:4AAB!����3�445:647��&B/� �� �� ��� ������ � �� ������� ���� $�� ���# �&� ������ 0�2 ���� �� �� �� �� � ������������� ���� ����� ��

� � �3 ���'������A��#%

� �� �

� '������A��4

0�2

����� �3 �� �� �� ��� �� ������ ����� �� ' �� �� ������ ���������� � �� �� ���� ������ � ��� �� ��� #% �� �� ������ �������� �A ��� �4 ��� �� ������ ��� �� �������� ����� ������ ������� ������ +�� �� �� �� �� ������� �� �� ��� �� ������ ����� � 0�32 �� )@ �3,�' / ��,& 0�3 8 > @ �3,�( / ��,& ��!����3�445:4��72� ��� �� ������ � ��� � 0�2 �� ��>)0�8��') �� !����3�445:4��72� $�� ������ ����� ���� ���A 8 (3 � ��&� �������� ��� ��� �� ���� ������ ��� �� �� �� !����3�445:4��7 ����� "���� �������� �� 0�2� �� �� ����� �!� 8 3�9& 5� �A� 8 ��' �/ ��,&� ��� � ���� ��� � 0��2 �'3-� $�� ��������� �� ������ � �� �� ������ ����� ���� �� ���� ��� � ������ � �� ��� ���������� �������������� ������� �� ���B� ������ ����� �� �� ������� ������ �� ���� ����������� �� ��� +����� &� ���� �� ������� 0������� ��2�� �� ������� �������� ���������� 0;4�C2 ���� ��� �� �� ;$!B4C6!$:4AAB!����3�445:647��&B/� ������� $����� � �� ;4�C ��� �� ���# ����� � �' - � � 8 )&3 ���������� �� ����� �� ���� ��� �� ����� �� �������� � !����3�445� ������ ������ $�� ���� ���� � ��� ����� �� ���� ��� ��� �� � ���� �� �� ��������� ����� �� $������� � �� ��� ������� �� ������ ����� � �� ��� ����� �� ;4�C ����� ��� ���� ��) 0/7 ��)2 ���� �����'

�� ��() �/ ��,&� ����� �� �� �� �������� �� � ���������� �A�� $�� ;4�C ������ � ����� ���� ��� � ���� ����� ���� ���� ��� ��� �������� �� ������� �� � ��!����3�445:4��7 �������� �� ����� �� ;4�C � �� )3 -

���� � � �� ������ ������ ���� � ��� ��� � ��!"#�!� ���� ����������� ���� ����� �� � ����� ��� ���������

C12H25O OC12H25

OCH3

O

DPM-12

PCBM

O

O

n

OC1C10-PPV

S

S

CH2(CH2)4CH3

H3C(H2C)4H2Cn

P3HT

������ � �#��!3�� 20�8308��2 �+ 0#� )�"�� �") �33�10�� ��0��!��2 82�)+�� 0#� �!�#0 ��2������

����

�����

�� ������ � ���K'!1#�",���0#�"�+8�����"�2 �2 @��������� 33�10��2

Page 3: Diphenylmethanofullerenes: New and Efficient Acceptors in Bulk-Heterojunction Solar Cells

��� ����������(��) A ���� �� ���� ������� �� ������ �� ���B� ������ ������ ����� ��� ��� �� �� �� ������ �����

+����� ' �������� �� ��� ������� ������ ����� � ������ ������ ��� ����� �������� �������� �� �� ���� ��� �� ;$!B4C6!$:4AAB!����3�445:647��&B/�� �A� ��������� �� ���

�������� ���� ��� ��� �� ������ ��� %8�'& D �� ������� ��� 0%8 &9) D2� $�� � ��� ������ ��� ����� �� �������� �� ��� �� ���� ���� ������ ����� ��� � ��������� �� ������ ?� ���� �A� �� ���� ����� ������������ �� ��� ��� � ������ �������� �� ���� �� � �����%��� �������� �� �� ;$!B4C6!$:4AAB!����3�445:4��7B/����������1 $�� ���������� � ������ ������� �� � ���������� ��� �� ������= ������ �� �������� �� ������ ��� ���� �� �� ������ ����� �� ������� $ �� ��� ������ ���� !����3�445:647��&������ �������� �� ��������� �� �� ��� +����� ' ���� �� �� �� �

�A��%��<��� � � ���<��� � � ��� � �#%

� �0&2

����� � �� � ���������� ��� ��� �� � �� �� ��� ��� � �� � ������� �� ����������� ������ ����� ��� �<��� �� �� ����

�� ���� �� +�� �� �� � 0���� ����� �� +��� '2� �� � ����� ���� ��� �� ������ � 8 0()� &2 ��5 �� ��� �� ������ � ���� ��� ���� � �������� ��� � ������ ���������� � � � ���� �� ���� �0� ����2� $�� ������� �������� �� ��� �� �������� �� ���A� ����� �� � ������� ��� ��� � !����3�445������ ��������� ���������� � �� ����� � �������� �� ��������� �������� �� ���� �� ��� �� ������ �� ?� � � �� ������������� � �A� � �� ������ ��� ��� � ���� ����� ���� ������� �� ������� �� � 4��7 �� �� ����� � �� �����0�A� 8 (�) �/ ��,&2� $�� �������������� ���� ����� �� ������� �� ��� ����� �� �� ������� �� � ������ ���: �� ����� �0�2 ��� �� ���� ��� 0�2 ����� �������� �� �� � ����� ���� �������� � �� �8 �F�F ����� � �� �� ���� ���� ���� ����. "������� ������� ���� ���� �� ���� ��� ����� �� ������� ����� ��� �� ��#���� �� ���������� � �� ���� ��� �� ����� ������� $�� !����3�445������ ������� ��� ������ ����� ��� ����� ������ �� �� �� ���� ���� ���� � �� � ��������� 0�G ������� ���#���� (2 ������ ������ ����������� �������� �� �� ��� ���� ���� ����

+����� (� ���� �� �&� ������ ���� ��� � ;$!B4C6!$:4AAB4'*$:647��&B/� ������� 0%8 '33 D2 �� � �������� ������ ��� � ��� ��� ����� �� ������� �:( ��� �:& 0����� �� ��2� ����� �������� 647��& ����� �� ��� � >3 ���.1- �� �� ������ ������ ������ $�� ���� ������ ��� ���������� �� ���# �&� ������ ���� ��� �� ������� ����� � �:& �����0���� ������2 ��� �� �����: �3 8 & @ �3,9 / ��,& 0����� ������� �3 8 '�) @ �3,9 / ��,& �� �� 4'*$:4��7 ����2 ��� �8 ��>)0�8��. �� 4'*$:4��72� $�� ������ ����� ���� �� ���� ������ �� �� � ����� �� 4'*$:4��7 0�A 8 �,& � ��&2�

;� �� �:& 0�:(2 �������� �� ������� �� � ����� �!� 83�.) 503�. 52� �A� 8 (�1 �/��,& 0&�1 �/��,&2� ��� ��8)>- 0(>-2������ ��� �� � ���� �������� ���������� � � &�'- 0�-2� $��������� ���� � �� ���� �� ����� � 0��� ����� �2647��& ��� �� ��������� � ��� ��������� ������ ������ ��� ������� ������ � ������ �� ������ ����� � ��� ����������� �!� �� �� ������� $��� ����� �� � ���� ������ �� �� � >3 � ��- � �� ������������� �� �������� ��445:4��7 ��������1,�9 �� � ���������� 4'*$:�� ������������������� ������� *��� ��������� ����� �� ��� ��� ����� �� ������ 647��& ������ ���� ����������� �� � ���� ��������

���� ����� �� � ����� ��� ��������� ���� ����������� � � �� ������ ������ ���� � ��� ��� � ��!"#�!� ����

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.010

-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

dark

80 mW/cm2

J/

mA

/cm

2

V / V

a)

300 400 500 600 7000

5

10

15

OC1C

10-PPV:DPM-12 (1:4)

wavelength / nm

IPC

E/%

b)

������ � @��!������!0#�!3 ��� 3#���30��!20!32 �") �6 !"3!)�"0 1#�0�"�0��38���"0 3�".��2!�" �++!3!�"3, 4�*��6 21�30�8� �+ �7BK*�'B7<*@@KB�����**�<*�/EK ��

100 150 200 250 300

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

T / K

8 mW/cm2

16 mW/cm2

44 mW/cm2

80 mW/cm2

fit Eq. 2

JS

C/m

A/c

m2

������ � 7��1���08�� )�1�")�"3� �+ 0#� 1#�0�38���"0 �+ �" �7BK*�'B7<*@@KB�����**�<'*E���K � )�.!3�� 7#� ����") !")!3�0�2 0#�!��8�!"�0!�" !"0�"2!0,� @��!) �!"�2 ��� 0#� +!0 >!0# �L8�0!�" ��

����

�����

�� ������ � ���K'!1#�",���0#�"�+8�����"�2 �2 @��������� 33�10��2

Page 4: Diphenylmethanofullerenes: New and Efficient Acceptors in Bulk-Heterojunction Solar Cells

������ �� ���� � ��������� ���� ����� �� ������ �� ���������� ��� ���������� +�� ���� � ���� �� �� � ���#�� ��������� ���������� �� �� ����� � H���� ��I �� ������� ���� �� ����� �� ������� ���� �������� ���� ����%��� ��� �������� �� ����� ��� � � �� ������ ;��������� � �� ������ �� �!� 0��� ����2� � � ����� ��� � �� ����� � ������ �� �� �� ������� ���� �� �� ������� �� �� ����� ���� ������ ��� � �� �� �������� �� ��� *!7! ��� <"7!������� $�� �� � � �� ������ � �������� �� %��� � � ����� �� ���� �� �� �� � � �� �� ����� ������ �� ��� �� ��� ��;4�C ���� �� �� � � ����� ��� 0��� +��� (�2� $�� �������� ��� � �� ���� ��� �� �� ������ �� � � �:& ����� ������ �� ��� ��� � �� ����� �� ������ �� �� �� �� ������ ����� �� �� ������ ������� �� 647��& �� ���� �� 0� ')3 ��2 ������� ������� �� ��� ����� �� � �� �������������� �� ��� *������ �� ;4�C � �� 4'*$:647��&B/�0�:(2 ������ ������ � �� ���� ���� ��� ��� � '>3 ��� ��������� �� ��� �� �������� � �� ������� �� ����� �� � �����%����� � �� ��������� ����� �� �� � 647��&� +����� )�������� �� �A� ������ % � �� ;$!B4C6!$:4AAB4'*$:647��&B/� 0�:&2 ������ 0�������� �� �� ���� � ��� ������ ��� ������� >,>3 �?��,&2� / �� ������ ����� � �������� �� ��

�� �� �������� �� �A� ��� ������� �� ��� ���� �� ���� ���� ����� ������� �� !����3�445 ����� $�� �� ������ �� ��� ��� %8 '33 D� ��� �� ���� ��� �� ���� ��� ������ ����$�� ������ �������������� �A� ������ � �� ��� �� ������ ���� ���� � ������� �� �� ��� ����� ���#����� ��������������� ������ �������� ������ � ���� ������ ��� ���������� ��� ���� ���� ��� ���� �������� ��� A������ ���������� ������� �� �� ������� �� � �:( ������� ������� ����0� ����2�

+������� �� �������E� �� �� �!� �������� �� �� 647��&������ ������� ������� �� �!� � ����� �� ������� �� �4��7 �� �33 �5��> $�� ����� � �� �!� �� ���� ������� ������� �� ������� ;� �� �������� �!� �� �� ������� �� �� ��#���� �� ���������� � �� �� ������ ���� �� �� ����� ���� 0 �� �� ��,������ �,�� �� 07;72 ��� ���2���3 ;� � ������ ����� �!� ������ �� �� � �� *!7!,<"7! ��� � ����� ��� ����� �� ��� �� ����� �� ��� �� �� �� ���������� � �� � �� ����� ��� �������� $�� �� �� ���� �� ����� ���� �� ���������� � �� �!� � �� ����� �� � �� ��� � ������� � �� �������9 �� ��� � �� ��� �� ��������&3 ���������� ���� ���������� � �� �� ��� ��#���� ����9 $������� �� � �� ���� ��#���� ��� ������� ����� ������� �� � �� �� �����&��&& +������� �!�� �� ������� �� ������� ��� �������� ���� �� ��� ����� ��� ����������� �� �� �������B����� �� � �� �� ��� ��������>�&'

$�� ������ ��� ���������� � �� �!� ��� �� ���� ��� ������ �� ������ ��� � �� ��������� � ���� �� �� ���� ������� �� � ���� ����� +�� �� A��#��� ����� �� �������C%�� �� '��(�&(

�!� ��

'� �#%'

��J33JA�

� �0'2

����� � ��������� �� ������� ������� 0�� �� ���# ��������� �� �� �� ����� ��� �������� �� ���������2� ' �� �� ������ ��� ������� � �� �� ���� ������ � ��� �� ��� �33 ��� ���#�� ������ ������������ ���������� ��� ��� � � ���� ��� �� ������ ����� � �3� $�� �������� �� ����� � � ����� ���� ��� ��������� ������ �� �� �� ������ � ��� � �� ����� ������ �� ����� � �!� 0�� �� �� ����� �� �� �� +��� �32� ;� ���� ��

���� � � �� ������ ������ ���� � ��� ��� � ��!"#�!� ���� ����������� ���� ����� �� � ����� ��� ���������

V / V

0.0 0.2 0.4 0.6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

P3HT:DPM-12 (1:4)

P3HT:DPM-12 (1:2)

J/m

A/c

m2

300 400 500 600 7000

10

20

30

40

50

60

P3HT:DPM-12 (1:4)

P3HT:DPM-12 (1:2)

wavelength / nm

IPC

E/

%

a) b)

������ � �6 ��� 3#���30��!20!32 �+ 1#�0�.��0�!3 )�.!3�2 >!0# *M�7<'*E��� 4�<� �") �<96 ��2����� 8")�� � ��3��� !��8�!"�0!�" 4��10, 2,����26 �")!" 0#� )��- 42��!) 2,����26� �6 �*�� 21�30�� �+ *M�7<'*E��� )�.!3�2 >!0# )!++���"0 3��1�2!0!�"2 �+ )�"�� �") �33�10���

100 150 200 250 300 350 4000.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0 80 mW/cm2

44 mW/cm2

16 mW/cm2

8 mW/cm2

T / K

JS

C/m

A/c

m2

������ � 7��1���08�� )�1�")�"3� �+ 0#� 1#�0�38���"0 �+ �" �7BK*�'B7<*@@K*M�7<'*E���4�<�6K � )�.!3�� 7#� ����") !")!3�0�2 0#� !��8�!�"�0!�" !"0�"2!0,�

����

�����

�� ������ � ���K'!1#�",���0#�"�+8�����"�2 �2 @��������� 33�10��2

Page 5: Diphenylmethanofullerenes: New and Efficient Acceptors in Bulk-Heterojunction Solar Cells

������� � �� �� ��� ����� �� � ���# �� ����� �� �� �������� �� �������������� ���� ���� ��� ���������� �� ��������� �� � �� ������ �� ������ ��������� $�������� �� ������� � ��� � ���� ����������� �!� �� ����� �� ������ � ���� ��������� �������� *������ � ����� ������ ������ � �� ���� �� ��� �� �������� � ������� �� � �� ���� ��� ��� �������� C%�� �� ' ������ � �� ��� �� �!� ������� ��������� � ������ ���� ����� �� ���� ������ ���� �� ��������� ����������� �� ���� �� �!� 0����� �� ����� ���2��������� /���������� ������ �������� �� �������� ���� ��� ���� ��� ������� � %8 3 D� �������� � �� ��� ����������� /� ;� ���#��� ����� �� ���� ������ �� ����� ���� ��!� ������ �� �� � �� ������ ��� � �� ������ ����� �� ��� �� ������ �� ���� ��� � �� *!7! ��� <"7! ������ � �� ��� ��� ����� �� ������ ������ $�������� ��������C%�� �� ' ���#��� ����� �� ������� ����� ����� �� ������ ��� ������� �0%8 3 D2 8 *!7!4�����,<"7!+�������� � �� ����� � �� ����� ���� �� �� ���� �������� *������ �� ����������� � � C%�� �� ' ���#��� ����� �� ��������� ��������� �� � � � ��� �A� ��� ������� �� ���#�� ������� ������������ � ����� �� � �� ���� �� �� ��������A������������ �� ���� �!�0%2 ������� �� ���� �� ������� �� �� C%�� �� '� +����� . ���� �� ������ ������������� �!� � ������� �� � 4'*$:647��& 0+��� .�2 ���4'*$:4��7 0+��� .�2 ��������� ;� � � ������ �� ������ ������� � �� ��� �������� �� �!� ��� ����� �� ��������+� %K&33 D� �!� ������ �������� 03�>,3�9 �5 D,�2 �� � ������� ���� ?� � � �� � �� +����� .�� �� ����� �� ��� �������� ���� � ���� ������ ���� ������ �� ��� �� ���������������� � �� ������ ������ ���������� �� C� ����� ��� �� ��������� �� �� � �� +������ .��� �� ��� �� ������ ����� %83 D ������ �� ����� ��� ������� � � 8 3�9 �5 �� � ��� ����� ������ ���� +�� ���� �� ������ �� � ������� �������� �������� ���� �� ���� ��� ������� �� ���� ����� � %8 3 D� $�� ���� �!� 0%8 3 D2 �� �� � ����� �� ������� � �� ��� �� � � ���� �� ���� ����� ��� �������� �� ��� 647��& ��� 4��7 ���� �� ���� ��� �� � �� <"7!����� 0+����� 1�2�

+� ������� �� � !����3�445� �� ������� �� � C%�� �� ' �� ��������� �� �� � �� ��� ������ �� �� �!� ������� � ���� ������ ���� � ����� ������� ��� �� ����� �� ������ �����

��� ;� �� ���� � !����3�445:647��& 0+��� >�2� � ������ ����� �!� ��� ��� �� ���� �� �� ������ ��� ����� &.3,'33 D�$�� ������� ����� �� � �!�0%2 ��� �� ������ ���������������� �� �� C%�� �� ' ��� �� ��� �� �� �������� ����� ����� �� ������ ����� ��� ��� 7������ ��� � �����3 ������ ������� ������� ����� �� � �!� �� � ������ ���� �� ���� � ���� ���#�� ������� 0(8�13 ��2� $�� ����� ��� � ���� �� ������� �� � �� ���� ������� � �� ���� �� �� ��� ���� 4��7 ��� <�+ ���� ����� �� ������� $�� �� ������ �� � �� �� � �� +����� >� %83 D ����� � �������������� � � 8���),��& �5� $�� ���� ����� ��� � ����� ��!����3�445:4��7 0+��� >�2� �� ��� �� �� ����� �� '�!� � %83 D �� ���,��& �5� $��� �� ���� �� ������ �� ���� ���� �� !����3�445 *!7! 0)�� �52 ��� �� <"7! ����� �4��7 0'�1 �52 � � 8 ��( �5� /���������� ������� ����� �!����3�445 ������ �� ���� ����� ��� ������� ������ �� � ������ ��� ����� �� ����� � ����� � �� ���� ������ �� ��� �� � �� <"7! ����� �� 647��& ��� 4��7� !� �� ��� ����� ��������� � ���������� ���������� � 3�&,3�' �5 �� ���� �� ������� �� �� ������� ����� � 4'*$��� !����3�445 ������� /� �� <"7! ��� ��� ��� ������� �� ���� �� � � ����� ����� ������� �� �� *!7! ����� � 4'*$ �� ���� �� �� 3�&,3�' �5 ���� ��� �� � !����3�445� �� ������ �� �� +����� 1��

%! ����������

$�� ��� � 647��& �� �� ���� �� ����� � �� ������,���������� ���#��� ����� �� ���� ����� ������ � � ����� ��� ���

���� ����� �� � ����� ��� ��������� ���� ����������� � � �� ������ ������ ���� � ��� ��� � ��!"#�!� ����

100 150 200 250 300 350 400

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

80 mW/cm2

44 mW/cm2

16 mW/cm2

VO

C/V

T / K

150 200 250 300 3500.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

100 mW/cm2

55 mW/cm2

20 mW/cm2

VO

C/

V

T / K

a) b)

������ 7��1���08�� )�1�")�"3� �+ 0#� �B� �+ �6 �7BK*�'B7<*@@K*M�7<'*E���4�<�6K � �") �6 �7BK*�'B7<*@@K*M�7<*�/E4�<�6K ��

a) b)

������ � ���820��0!�" �+ 0#� �++�30!.� ��")��1 �6 !" ���")2 >!0# *�/E �")'*E��� 42��� 1��,���6 �") �6 !" ���")2 >!0# *M�7 �") B�����**�42��� �33�10��6�

����

�����

�� ������ � ���K'!1#�",���0#�"�+8�����"�2 �2 @��������� 33�10��2

Page 6: Diphenylmethanofullerenes: New and Efficient Acceptors in Bulk-Heterojunction Solar Cells

��� � � �� ������ ����������� ;� �������� �� �� ������ ����� ��� �� 647��&������ ������� ��� ���� ������� ��������� ������� ����� 4��7 �� �� ����� � ��� �� �A�

�� !����3�445:647��& �� ������� �� � ��� � � (,) �� � ������� �� 4��7������ �������� / �� ���� ���� ��� ����������� �� ���� ����� ����� �� �� ���� � 4'*$:647��& ���4'*$:4��7� $�� ���� �� ������ ����� � ��� �� �������� ��� ���������� �������������� ������ �� � ������ ����� �� �������� �� ������ $ ������ � �� ������ ������ ��� � �� ����� � �� ������ ����� ����������� ����� � ����������� � ���� ��������� +����� 9 ���� �� ������� ������� ���� ��� 0�����,����� ������ 0�6A2 ��� �� �,����� �� ���0�LA22 � ������ ����������� ������ �� 0!+C$�2 �� � ��������� � 647��& 0+��� 9�2 ��� 4��7 0+��� 9�2� $�� ����� �� ����� ��� � ����� ��� �� ������� ������ ���� ��� ���& @ �3,( ��� > @ �3,' ��& 5,� �,� �� 647��& ��� 4��7� ������� ������ $���� �� ���� �� ����� � �� 647��& ����� ��� �� � ���� � � �� �� ���� ��� �� �� 4��7� $��� ������� �� ������� �� � ������� ���� ��� ������ ���� � ��� �� ������ �� �647��& �� �� ����� � �� ������ *������ �� ������ ����� ��� �� �� ������ ��� � �� ��� ��� �� ���� ��� � ���� �� �� ��� ��� �� ���������� �� �� �������� ������ ��� ��� ��� ����� � ������ �� �� ����� �� ���� ��

�� 7��E�� � ����&) �� 767!�445 ������� �� � 4��7�+�� ������� �� ���� �� ��� ��� ����� ��� ���� ���� �������� �� � ���������� ��������� ����� �� �� �� ����������>

$�� � ��� ������ ��� ���������� � �A� �� !����3�445:647��& ������� ������ �� �� �� ������ ���������� ���������� ���� �� �� �������� �� ������ ���� � �� ������ ������ ���� ���������� $�� �A� �� 4'*$:647��& ������ � �� ���� �� �� %K '33 D� ������ ��� �� � ��� ������ ��� ������ ���� ���� � �� ��������� �� �� ��������� ���#�����M �� �� �� ��� �� ����� �� 4'*$:4��7 ������� 0�� � ������ �� ��������� ���#����2 � �� � � ���� ������ ����� �� ��� �� ���� &.3 ��� &>3 D��> $��� ������ �� � ������� ����� �,���� ��� ����� � ������ �������� �� ������ �� � 647��&�

/ �� ���� ���� �� ���� ��� ����� ������ �� � �� ������������ �������������� �� ������ �� ���������� �� ������ �!����3�445 ��� 647��&� ����� ����� ��� ���� ������������ �� ���� �������� 0<CAN2 � ����� ��� ��� �� �������� ����� �� 04;/2 ���������� ���&. ��� �� ������� ����������� �� ���� ?�� ��� ��� �� � ����� � ����� ��������� � ��� � � �� ��������� ������� �� �� ���� � 647��&��� ��� ��� ������ ����� ��� �� 4��7� �� � ����� � ������� �

���� � � �� ������ ������ ���� � ��� ��� � ��!"#�!� ���� ����������� ���� ����� �� � ����� ��� ���������

150 200 250 3000.80

0.85

0.90

0.95

80 mW/cm2

44 mW/cm2

16 mW/cm2

VO

C/V

T / K100 150 200 250 300

0.80

0.85

0.90

0.95

100 mW/cm2

55 mW/cm2

20 mW/cm2

VO

C/V

T / K

a)b)

������ � �6 7��1���08�� )�1�")�"3� �+ 0#� �B� �+ �7BK*�'B7<*@@KB�����**�<'*E���K � �") �6 0��1���08�� )�1�")�"3� �+ 0#� �B� �+ �7BK*�'B7<*@@KB�����**�<*�/EK ��

-25 -20 -15 -10 -5 00.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

DPM-12

VDS

= 5V

I DS

/nA

VGS

/ V

L = 115 µm,

µFE

= 2 x 10-4cm

2/Vs

-25 -20 -15 -10 -5 00

5

10

15

20

25

30

35

40

PCBM

VGS

/ V

I DS

/nA

VDS

= 2V

L = 80 µm

µFE

= 8 x 10-3cm

2/ Vs

a) b)

������ � '�0���!"�0!�" �+ 0#� ���30��" ���!�!0, +��� 0#� 0��"2+�� 3#���30��!20!32 �+ BG�72 ��)� +��� '*E��� 4�6 �") *�/E 4�6� �'@< )��!"�2�8�3�38���"0N ��@ O ��0��2�8�3� .��0���N � O 3#�""�� ��"�0#N �G� O +!��)��++�30 ���!�!0,N �'@ O )��!"�2�8�3� .��0����

����

�����

�� ������ � ���K'!1#�",���0#�"�+8�����"�2 �2 @��������� 33�10��2

Page 7: Diphenylmethanofullerenes: New and Efficient Acceptors in Bulk-Heterojunction Solar Cells

$�������� �� ��� ������� �� �� �� ���������� � ��!����3�445:647��& ������� �� �� ������� �� �� � � ������ �� �������������� �� ������ �� ��� ������ � ?� � � �� � �� ���� � 4'*$� � ��������� ����������� ���� ���� ��� ���� 647��& ��� 4��7 �� �� �������� � ������ � �� �� ������ ������������ ������� � �� �� ������ �

$�� �������� � !����3�445 ��� 4'*$ �� � �� 647��&����� � ��� �� �������� �� �!� �� � ������ 4��7�������� �������� $��� ���������� �� �33 �5 � �� ������� ���� ��� ��������� �������� ���� �� ������ �� ���� ����;� �� ���� %8 3 D� �� �!� ������ ��� ���� ���� ���� �������� �� �� ���� ������ �� ���� /������� �� A��#����%�� ��� �� �!� �� ����� ��� �� ���# ���� ������ ���� �3��� �� +����� �3 ������ ������ ���� �� ����� � �������� �3��� � � �!� 0� � �� �!� ��������� �� �� ���� ����� �� �� ������ ����� �� ������ �� E��2� /������� � �����

�������� �� �� ������ � ��� � � ����� � ����������� ���������� �!�� ;� �� ��� � � ���������� �������� �� �3 0�� ����� ������ ���2 ��� ������ �������� �!�� ;� �� 647��& ��������� �� ������� � ������ ������ � ��� � ��� �� �� 4��7������ ������� 0�� � � �������2 ��� ��������� �� ��� �������� �� �� �������E�� �� $���� �� *����� �� ������� �� �� ������� �������� �� �!� ������ �� ��� �� ������ ������� � ��� �� #��� ������ �� ����� ��� �������� �� ����������� �� �� ������� ���#� +� �������� �� ���# ��������� ��� �� ��� �� ���� �� ���#� ������� ��� <"7!+��������

�� *!7!4������ �� ����� �� �� ����� ��� �� ������������� 7�� �������� �� �������� ��� ����� �� ������� �� �� �� �������������� �������E� �� ���� ���� �����

��� ��������� ������ �� ����� � ��� �� ���� ������ �� �������� ��� ��� � ���������� ;������ �� ������� ������ ��� ��� 647��&� ��� 4��7������ ������ ������ �� �������� � +����� �� ���� ������ � ��� ���� ��������� 0/+72 ������ � !����3�445:647��& ��� !����3�445:4��7 ������ ;� �������� �� � �� ���������� �� �������� � ��� �� �� ������� �� ������� ����� � !����3�445������ ������ 0$���� �2� �� !����3�445:647��& ������ ������� � � ��� �������� �� ��������� ��� � ������� ��������� ��� ��� ��� ���� ���� ��� �� !����3�445:4��7����� $�� ������ �!� � ����� �� 4'*$:647��& ������� � ���� ��������� ����� �� �� 0�:& ��� �:(2� ����� ����� ��������� � ������� �� � �� �� ��������� �������� ������� �� �� ������� �� �� ���� �� ��������� ������� ������ �� ��� �� �!�� $�� ������ 4��7 ���� ��� �� �:( ������������ � � �������E� ��� ��� ����������� �������� �� ��� ������ �� ���� ����

$�� ������ ��� ���������� � �� �!� ��� ���� �� ��� �� ����� �� �� ����� ��� ������� �� �� ����� ��� �� ��������� � �� �!�0%2 ������ ����� %8 3 D� ;��������� � ������� � ���� �� �� ������ �� � ����� �� ���� ������ �� �� ����� ��� ������� �� ������ �� � 4'*$ 0� 8 3�9 �52 ���!����3�445 0� 8 ���) �52� $��� ������ �� �� ���� ����� ��� �� ���� 0<"7! ��� ��2 �� 647��& ��� 4��7� �� ���������� � ����� ���� ������������ /� ���� �� ����������� �� C%�� �� ' ������ ���� ����� �� � ����������� ���� ����� �� �� �� ��������� ��������� ������ �� ��*!7!,<"7! ���� � ��� ��� ����� � �� � � �������

/� ���� �� +������ >���� �!� ����#� ��� �� �� ��� ������� ��� ������ �� ��� ������� �� �� ���� �������� ������� ������ !����3�445� $�� � ��� ������ ��� ���������� � � ����3� ����� ��� ����� �� �� �� +����� �&� ��� �� ������������ ���� �������� � � ������ ��� �������� � �� ������� ����� ��� ������ � � ����� �������� ��� ������� ������� �� �� �� �������������� ����� � � ���������� ������������������� ��� � ���� ��� ��� �����

&! �����������

?� ���� ����� ��� �� � ���� �� ������������� 647��&��� ������� �� �� �� ����� � �� ����� �� ������,������������#��� ����� �� ���� ������ $�� ���� � ������ ������ �� � ��� ��� �� ������������ ���� ���������� �� ��� 0���� � 52 � ����� �� !����3�445:647��&������ �������� *������� ������� � �� ���� �� �� ������ ����� ���� �� ������������ � � 647��& �� ����������� �������� ��� �������� ��� ���� A������ ������ �� �� ���� ���� ��������� �� ���� � �� �������������� ������ �� ��� ������ � $������������� ���� �� ����� � �� 647��& ��� ���� �� �� �� ���� ���� ��� �� �� �� �� ������ ���� ����� ��4��7� !� �� ��� ����� �� ���� ������� � � 647��& ���������� �� ���� �� �������� �� �� ������ �������� ����������������� �� �������E� �� � �� �� ������ �� ���� ���� ��� ����� ��� ���� �������� ��� $�� ��� ��� ���������� ��������� ���� ����� 647��& �� ������ �� �� � 4'*$ �� ����� ��� ����� � $�� �� ������ ����� ��� �� 4'*$:647�

���� ����� �� � ����� ��� ��������� ���� ����������� � � �� ������ ������ ���� � ��� ��� � ��!"#�!� ����

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

J0

n

n=1.0, J0=10

-11

n=1.5, J0=10

-11

n=2.0, J0=10

-11

V / V

J/a.u

.

n=2, J0=10

-13

n=2, J0=10

-14

n=2, J0=10

-15

������ �� @!�8��0�) 2�����3��� 3#���30��!20!32 >!0# )!++���"0 .��8�2 �+ ��") � !" 0#� +�8�0# L8�)��"0�

!�"�� � '��- ��� 3#���30��!20!3 1�����0��2 �+ �8�-�#�0���I8"30!�" )�.!3�2>!0# )!++���"0 ��2�����2� � O ��M ��

/��") � � $ 3���& �B� $�&

B�����**�<*�/E 4�<96 ��M �� P ���9 ���

B�����**�<'*E��� 4�<96 ��� 9� P ���M ���

*M�7<*�/E 4�<�6 ��C M� P ��� �

*M�7<'*E��� 4�<�6 ��� ��� P ��� �C

����

�����

�� ������ � ���K'!1#�",���0#�"�+8�����"�2 �2 @��������� 33�10��2

Page 8: Diphenylmethanofullerenes: New and Efficient Acceptors in Bulk-Heterojunction Solar Cells

�&������ ������� ��� ��������� ��� � ����� ��4'*$:4��7 ���� ������ $������ ��������� ��� � ���E�� �������� ����� �� ���� ���� �� ����� ��� �� �� ����������������� +� �� �� ��� ������� �� � � �:& 4'*$:647��& ������� ����� �� �� � ���� �������� ���������� �� 8 &�'- ��� ���������

������� 4��7������ �������� �!� �� 647��& ������ �� �� ��������� �� �33 �5� $��� ���������� �� � � ����� � �� �������� *!7!,<"7! ��� �������� �� ���� ���,������ � ������� ?� ����� �� � �� �� ���������� �� ��� ��������,��������� ���#��� ����� �� ������� ��� ��� �� ��� ������� �� �� ���# ���� ������ ���� ���� $�� 647��&������������� ���� ���� ������ � ������ ������ � ��� � � �� ������ ���� ����� ��� ����� ����� � �� ���������� �� ����7������ �� �� �� �� ����� ��� �� �� ��������� ��������$�� ����� ��� *!7!,<"7! ��� ��� �� ��� �� ��� � ������� ������������ ����� �� � �� ���������� �� ��� ��3�9 �5 �� 4'*$:647��& ��� ���) �5 �� !����3�445:647��&� ?� ��� ������ �� �� *!7! ����� � 4'*$ �� ���� �� ��3�&) �5� �� ������� !����3�445� ��� ���� � (�>),(�9 �5�

+� �� ��������� � ������������ ���� ������ �� ����������� � ���E� �� � �� �� ��������� �������� �� ���� ���� ������ ������ � �� �� ������ �� ���� �� ����� ��� ������ ����� �� ������ ���� ?� ����� �� �� �� �� ����������� �� �������� � ���,����� � ��� ����� � �������� �� �� �������� �������� �� � �� �� ������ �������� ��������� ;� ��� � � �� ������� ���������� �� ����� �� ������ ���������� ��� �������� �� ��� �� � �� �������� � �� �� ������ �� ������ ���������

'! �(��������

$�� ��� ����� � 647 ������� 0+��� �'�2 ��� ���� ������� � ������� �� ��������� �� �������� ��������� ��������� �&1�&> �� � �� ������ ���� �� ���� ������ �� � �� 647��& �&9 � +����� �'����� �� �� ������� � 647��&� ��� ����� �� ���� � �� ����0�

�� 8 ,3�13= &�� 8 ,����= '

�� 8 ,��.'= '�� 8 ,&�3> 5 ��� �� �� ��� �� ����

��� ���� ���� A�C2� �� ��� �� ������ �� ��� ��� � �� *!7!��� <"7! ������� ��� �� ��������

C��� ��������� ���������� � ���� ������� � �� � (:� ������������E���B��� �� ���� ��� ��� 0�B�2 �� ����� � ����� � ���������������� ��� �� �� ��#��� ���� ���� A�C �� �� ��������� ���� ������(M��!( 03�� 72 �� �� ����� ��� ���� ��� �� ��� �� � � ���� �� �� &33 �5�,��

$�� �������� � ��� ���� � �� �� ������ ���� �� �� ���� ���������� �� ���� ����� ��� �#� ���� �� +����� �� 4� �� ��� ������� ����������� �� � ������� ����� ���� �� �� �� � � �� ����� ;$! �����0�) � �%,�2� / (3 �� ���� � ����� ��� ������� 4C6!$:4AA� ����������� � �� ;$! ��� �� �%���� ���������� /� �� ��������� �� ;$!B4C6!$:4AA �������� �� �� ��� ������ ���� �������� ���!����3�445:647��& 0�.*)��2 ��� 4'*$:647��& 0�*��'2 ��� ������� �� ���� ���� � �������� ����� ��� �� �� �� ��������� ���#���� �)3,.3 ��� $�� �������� ���� ���� ���� �������� ������ �� � ��������� ���� ��� �3,. ���� 0� ��� 8 �3) 4�2� $�� ������� ����� �4'*$ ���� �������� �� � ������ �� ��������� ��������� �'3�'� �� ��� ���� �� �� ��� ���������� ��� �������� �&� ���������� ����� ������� � �� � ��������� ������ ��� ���� � �� � � ��%������ ����� ������� $�� ������� ���� �������� �� ����� ��� � ���� ��� ����� ��� ����� ����� �� ������� ���� �� ���� � ������ �� ���� � 0>3 �?��,&2 ��� ������ �� � �� � ��� ��� ����� � ��� ��� �� � ����������� ��������� � ������� ��� ' @ �3,( �� �&� �������� ��� �������� �� � � ��������������� ��� 0/���� �� $N.�('2� ;4�C ���� ��

��� � � �� ������ ������ ���� � ��� ��� � ��!"#�!� ���� ����������� ���� ����� �� � ����� ��� ���������

a) b)

������ �� GE �!3�����1#2 �+ �6 C "� B�����**�<'*E��� 4�<96 �") �6 C "� B�����**�<*�/E 4�<96 +!��2 3�20 +��� 3#������";�"� �"0� �"�"����) ���22K�7BK*�'B7<*@@ 28�20��0�2�

180 200 220 240 260 280 3002

4

6

8

10

12

log

(J0 )n

T / K

-11

-10

-9

-8

-7

������ �� 7��1���08�� )�1�")�"3� �+ 0#� !)���!0, +�30�� � �") 2�08��0!�"38���"0 )�"2!0, �� !" �7BK*�'B7<*@@KB�����**�<'*E���K � )�.!3�2�

����

�����

�� ������ � ���K'!1#�",���0#�"�+8�����"�2 �2 @��������� 33�10��2

Page 9: Diphenylmethanofullerenes: New and Efficient Acceptors in Bulk-Heterojunction Solar Cells

���� �#�� ����� � ������� ��#��������� �� �� �%������ �� � � �������� �� A�BL� �� ���� �� �� ��������� �� �� �� $�� ���� ��� �������� ��� ���� ����� ��� ���� ����� ��������� ����� � �������� � �� � � �� � ��� ����� �� ���� ���� �� ����� � �������� �� ���&)3 �333 ��� +���������� ������ �� �� ����� � ���������� � ������������ � ������ ������ ������ ������ �� �� ���� �� � ��� ����7�������� ����� ��� ����� �� �� � 0�&3 ��2 ���� ����� �� �� ��� ������� ������� � ��������� ������ ��� �3,. ����� ������� ���� ���� ���� ��) 0647��&2 ��� >3 �� 04��72 ���� ��������� ��� ��������� ��� � ��� & ��� $������ �� ���� � ��� ����� � �� ����� ������� �� �� ���������� � $�� �� � ������ � ��� � �33 �� �������� ���� ����� � A�!&� /�� ���������� � ���� �������� �� ����� � � � �� �� ������� �������� ����� ������ ��� �� �� ���#�$�� ��������� � ��� �� ��� �������� �� � ������� �� ������� ��� ��� ���� � �� ������ ���� �� � �� � ���� ��� ����� ��� ���� � �������� /+7 ������ � !����3�445:647��& ���!����3�445:4��7 ����� ���� �#�� �� � � 6��� �� ;�� ����� �M������ ;;;�� $�� ������� ���� �������� �� ������� ��� �� ��������E��������� ������ � �������� �����B;$!B4C6!$:4AA ���� �� ���$�� ������� ��� ������� � ���� �� �� � 3�',3�( *E �� �� ������ ����

N�������: +������� �)� &33)+���� ������: J��� &� &33)

4�������� �����: !� ��� &1� &33)

,�� ���� ��# �� )������ *��������� ������� ��� ��" ��� 0C�: *� A�

M����2� 5��� �,(� ?����� M�� O�# ))*��& A� A������ ��� <� A����� E� /� J� *������ +� ?���� +������ ))#� ,-.�

�(1(��' �� J� ������� L� P��E�� L� ������� A� 6� A����� ��� A� <�E� �� J� ��

*�������� M� A� A������ ��� *�� / ��"�/ 0���/ #++ � 123� &'&��( L� O�� J� L�� J� �� *�������� +� ?���� /� J� *������ +������ ))'�

,43� �1>9��) )������ ������������5*����$�� ��� ���������� 0C��: �� J� �������

5� 6��#��� J� 4������ M� A� A������ ��2� A�������� ������� L������ #++%�

�. �� J� ������� J� *����� 4� A�������#�� �� ?������� ��+ 6�/ #++'� 13�)3�

�1 ;� N������ 5� 6��#��� J� 4������ <� <� ���� 6� 5�����E����� J� ��*�������� 7��/ �����/ �����/ #++&� 82� ��

�> ;� N������ 5� 6��#��� ��"�/ +����� +���� 7 #++&� ,38� �''&��9 �� J� ������� /� ������� 6� 7�������� M� A� A������ ��� $� +�����E�

7� $� N������� <� A������� J� �� *�������� 7��/ �����/ �����/ #++ �88� '1(�

��3 5� 6� 7������ ���� 4� ?� 7� ���� J� �� *�������� 7� $� N������� �/7$$/ ��"�/ #++%� 92� .>(9�

��� 6� 7Q��������� !�$� � %������ "������� � � <��E� /�� ��� #++#��� ).�

��& ;� N������ M� 7�� ��� +� L�������� J� <� A������ 6� ��������� J� 4������5� 6��#��� %��� +��� �� � #++&� 2-8� ('�

��' $ �� ��� � �A� ��� �� ;4�C ����� � ������ ���� ���� �� ;4�C��� ����� �� � �� /7 ��) ���� ��� �/7��) 0�2 ��� �� ���� �� ��� �� ����� � �������� � 0�: 4����#R� ��� �� = �: ����� � ���� 2:�A� 8 'B�����0��;4�C0�2��/7��) 0�22�

��( 5� 6��#��� 7$$/ ��"�/ 7 #++&� 49� &����) A� C� A������� �� J� ������� M� A� A������ ��� +� 4�������� $� +�����E�

J� �� *�������� 7$$/ ��"�/ 0���/ #++ � 4.� >(����. 4� A�������#�� �� ?������� J� *����� �� J� ������� �/ 7$$/ ��"�/ #++&�

9-� &>�.���1 J� D� J� ��� 6����� S� O���� J� <�� �� ?� $� ������<������� /� ��

A������ J� �� *�������� N� /� J� J������� 7��/ �����/ �����/ #++&� 82�(&)�

��> 5� 6� 7������ ���� <� J� /� D� ��� 4� ?� 7� ���� �� 7��E����� �� ���� J� D� J� ��� 6����� N� /� J� J������� 7��/ �����/ �����/#++'� 8-� 19)�

��9 *� *���� 7� M��������� �� ?������ J� D��� � N� *�������/� *������ 6� 7�������� M� A� A������ ��� 7��/ �����/ �����/ #++&� 82��33)�

�&3 /� L������ 7� A������� 7� N� /�������� !� ;����T�� 7$$/ ��"�/0���/ #++&� .2� �.39�

�&� *� +����� A� C� A������� �� J� ������� 6� �� 7Q����� M� A� A������ ���D� 7�����E� *�� ��"�*�� #++#� 1� 19)�

�&& +� <� P����� /� L������ !� ;����T�� 7� A������� 7� N /��������7$$/ ��"�/ 0���/ #++&� .2� '93.�

�&' J� <� <��� O� A��� O� O���� 7��/ �����/ �����/ #++ � 88� (&3��&( N� *� ����� �������������� ���$������ �� +� ������������ "������� �

4����� ���������� "D ))#��&) �� 7��E��� C� J� D�� 5� 6� 7������ ���� 4� ?� 7� ���� 7��/ �����/

�����/ #++&� 82� >.)��&. 7� 4��� #�� J� A������ J� 4������ 5� 6��#��� +� L�������� M� 7�� ���

�������������&1 J� �� *�������� �� ?� D���� � +� <�4�%� +� ?���� J� O�� �� <� ?��#�

���� �/ )��/ *�� / ))'� :3� )'&��&> 7� 4� *���U���E� +� 7���� +� !� ���� N� L� N���� /� 7�� V��

6������� C� 5� 4����� <� AU����E� M� 7�� V�� 0��� ��� #++ � 84�''�1�

�&9 �* M7N 0�6��'� &33 7*E2: � 1�9. 0�� (*� �8 >�) *E2� .�91 0��(*� �8>�) *E2� '�91 0 � (*� �8 .�' *E� ,�*&,!�/�2� ��19 0%� (*�,�*&,2� ��)3,��&. 0�� '.*2� 3�>> 0 � .*� ,�*'2�

�'� M7N 0�6��'�)3 7*E2: � �)>�.9� �(>�.3� �()�(�� �()��)� �()�31� �((�13� �((�.3��((�&3� �('�>'� �(&�91� �(&�>9� �(&�'&� �(&��3� �(3�19� �'>��9� �'��>&��'��'�� ��(�.�� .>�3)� ))�9�� '��9&� &9�..� &9�.'� &9�.�� &9�(&� &9�')�&9�'�� &.���� &&�13� �(��'� +������ ������� �������� 0+$;N= D��2���,� : � &9&3� &>(9� �.3>� �)3>� �(.(� �&9>� ��1�� )&.� 7��� ���� ���� �� B� 0���� ������ ���E� ��2 0- �2: �&)( 07W� �332� "5����0�*&��&2 ���� ��� : 0��2 &.3 0)�3'2� '&> 0(�)92� ('� 0'�&92� /���������� �� �91*)>!&: �� 9&�19 -= *� (�..-� +���: �� 9'�3�-= *�(�)& -� 7�� ��� ��� : �&',�&) X��

�'3 +� 4�������� N� A� N� ������� M� A� A������ ��� 7��/ �����/ �����/ #++%�81� '�

�'� 6� ��������� J� 4������ J� �� *�������� 5� 6��#��� ������������"#++&� 8-� �'�1�

���� ����� �� � ����� ��� ��������� ���� ����������� � � �� ������ ������ ���� � ��� ��� � ��!"#�!� ����

0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5

10

0

-10

-20

-30

I/

µA

V / V

b)

C12H25O OC12H25

O

OHHO

K2CO3, DMF

C12H25Br

O

OC12H25C12H25ONH2NHpTs

Toluene

NNHpTs

OC12H25C12H25O 1. MeONa / Py

2. C60 / o-DCB

a)

������ �� �6 @,"0#�2!2 �+ '*E���� 'EG< )!��0#,�+�����!)�ND��D��72< 0�2,�#,)��;!"�N *,< 1,�!)!"�N ��'�/< ��)!3#������";�"�� �6 �,�3�!3 .��0�������� �+ '*E����

����

�����

�� ������ � ���K'!1#�",���0#�"�+8�����"�2 �2 @��������� 33�10��2