Fused-benzotriazole Based p-Type Polymers： Fine-tuning on Absorption Band-width and Bandgap via Backbone Thiophene and Selenophene Strategies

doi:10.7503/cjcu20230190

Abstract

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

CLC Number:

O631

TrendMD:

TIAN Mei, ZHANG Zhiyang, ZHAN Chuanlang. Fused-benzotriazole Based p-Type Polymers： Fine-tuning on Absorption Band-width and Bandgap via Backbone Thiophene and Selenophene Strategies[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(9): 20230190.

Figures/Tables 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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