苯并三氮唑稠环基p-型聚合物: 通过骨架噻吩和硒吩策略精细调控吸收与带隙

doi:10.7503/cjcu20230190

摘要/Abstract

摘要：

基于苯并三氮唑DA'D稠环单元，设计合成了4个结构新颖的p-型聚合物（BDT-TT, BDT-Se, BDD-TT和BDD-Se）, 通过骨架噻吩和硒吩策略实现了对聚合物吸收及带隙的精细调控. 首先, 将二噻吩并噻吩并吡咯稠合苯并三氮唑应用于设计聚合物, 与BDT-2F单元共聚合成了BDT-TT. 然后, 用硒吩取代二噻吩并噻吩并吡咯稠合苯并三氮唑中的两个噻吩并噻吩单元, 合成了二硒吩并吡咯稠合苯并三氮唑, 并与BDT-2F单元共聚合成了BDT-Se. 骨架硒吩取代策略的应用使聚合物的带隙从BDT-TT的2.0 eV降低到1.89 eV. 而后, 用BDD单元取代BDT-2F, 并与二噻吩并噻吩并吡咯稠合苯并三氮唑共聚, 合成了BDD-TT. 骨架噻吩取代策略的应用使聚合物的吸收半峰宽由BDT-TT的138 nm扩展到BDD-TT的229 nm, 带隙降低为1.71 eV. 最后, 将BDD与二硒吩并吡咯稠合苯并三氮唑共聚合成了BDD-Se, 通过硒吩和噻吩策略协同作用, 实现了吸收峰的展宽和带隙红移. 以PC₇₁BM为电子受体材料, 由该系列聚合物构建的有机太阳电池器件获得了1%~2%的光电转换效率.

关键词: 苯并三氮唑, 稠环单元, 聚合物, 有机太阳电池, 带隙

Abstract:

Four fused-benzotriazole based p-type polymers（BDT-TT， BDT-Se， BDD-TT， and BDD-Se） were designed and synthesized， and the fine-tuning on absorption band-widths and bandgaps via the backbone selenophene and thiophene strategies were reported. First， we introduced dithienothiophen［3，2-b］pyrrolobenzotriazole to co-polymerize with BDT-2F and synthesized BDT-TT. Then， we used selenophene to replace the thienothiophene units on the dithienothiophen［3，2-b］pyrrolobenzotriazole and synthesized BDT-Se. Compared to BDT-TT， BDT-Se showed a reduced bandgap from 2.0 eV to 1.89 eV. After that， we used BDD to replace BDT-2F and synthesized BDD-TT by co-polymerizing with dithienothiophen［3，2-b］pyrrolobenzotriazole. In comparison to BDT-TT， BDD-TT showed extended absorption band-width with the full-width-at-the-half-maximum（FWHM） increased from 138 nm to 229 nm and reduced bandgap from 2.0 eV to 1.71 eV. At last， we combined BDD and diselenophen［3，2-b］pyrrolobenzotriazole and synthesized BDD-Se， which achieved extended absorption and further reduced bandgap（1.61 eV）. Using PC₇₁BM as the electron acceptor material， the organic solar cells fabricated by the four polymers gave the efficiencies of 1%—2%.

Key words: Benzotriazole, Fused-ring, Polymer, Organic solar cell, Bandgap

中图分类号:

O631

TrendMD:

田梅, 张志洋, 詹传郎. 苯并三氮唑稠环基p-型聚合物: 通过骨架噻吩和硒吩策略精细调控吸收与带隙. 高等学校化学学报, 2023, 44(9): 20230190.

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图/表 8

Fig.1 Chemical structures of the fused⁃BTA⁃based polymers: BDT⁃TT, BDT⁃Se, BDD⁃TT, and BDD⁃Se

Fig.2 UV⁃Vis spectra of the polymers in chloroform solutions and films(A) Polymers of BDT⁃TT and BDT⁃Se; (B) polymers of BDD⁃TT and BDD⁃Se.

Table 1 Optical and electrochemical properties of the four polymers

Polymer donor material	λ_max（Solution）/nm	λ_max（Film）/nm	λ_onset（Film）/nm	FWHM ^a /nm	FWHM ^b /nm	$E g o p t$ ^c /eV	E_HOMO^d /eV	E_LUMO^d /eV
BDT⁃TT	555	578	617	99	138	2.0	-5.25	-3.58
BDT⁃Se	607	609	657	108	136	1.89	-5.02	-3.60
BDD⁃TT	561	590	724	185	229	1.71	-5.06	-3.71
BDD⁃Se	615	680	769	216	209	1.61	-4.99	-3.72

Table 1 Optical and electrochemical properties of the four polymers

Polymer donor material	λ_max（Solution）/nm	λ_max（Film）/nm	λ_onset（Film）/nm	FWHM ^a /nm	FWHM ^b /nm	$E g o p t$ ^c /eV	E_HOMO^d /eV	E_LUMO^d /eV
BDT⁃TT	555	578	617	99	138	2.0	-5.25	-3.58
BDT⁃Se	607	609	657	108	136	1.89	-5.02	-3.60
BDD⁃TT	561	590	724	185	229	1.71	-5.06	-3.71
BDD⁃Se	615	680	769	216	209	1.61	-4.99	-3.72

Fig.3 Cyclic voltammograms of the polymers(A) and diagrams of energy levels for the polymers and acceptors used in this work(B)

Fig.4 J⁃V curves(A) and EQE spectra(B) of the OSC devices, the dark J⁃V curves for estimating the hole(C) and electron(D) mobilities of the OSC active layers

Table 2 OSC device parameters and charge mobilities of the polymer: PC71BM blends

Device	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	J_cal^*/（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE（%）	μ_h/（cm²·V^-1·s^-1）	μ_e/（cm²·V^-1·s^-1）
BDT⁃TT∶PC₇₁BM	0.72	5.90	5.94	38.9	1.65	4.69×10^-5	1.68×10^-8
BDT⁃Se∶PC₇₁BM	0.57	5.94	6.00	35.34	1.19	4.74×10^-5	1.29×10^-8
BDD⁃TT∶PC₇₁BM	0.63	7.16	7.17	41.19	1.86	2.71×10^-5	1.28×10^-7
BDD⁃Se∶PC₇₁BM	0.54	7.63	7.26	38.33	1.58	5.45×10^-5	2.40×10^-7

Fig.5 J⁃V curves(A) and EQE spectra(B) of the polymer: Y6 based devices

Table 3 Performance parameters of OSCs based on the polymers and Y6

Device	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	J_cal^*/（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE（%）
BDT⁃TT∶Y6	0.61	5.65	5.64	34.67	1.19
BDT⁃Se∶Y6	0.38	4.24	4.24	34.59	0.55
BDD⁃TT∶Y6	0.59	1.13	1.12	29.25	0.20
BDD⁃Se∶Y6	0.38	0.56	0.56	31.54	0.07

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