萘二亚胺-熔融噻吩供体-受体共聚物的结构-性能关系在有机光伏应用中的研究

《ChemPlusChem》：Structure–Property Relationship of Naphthalene Diimide-Fused Thiophene Donor–Acceptor Copolymers for Organic Photovoltaics Application

本研究系统探究NDI基供体-受体(D-A)共聚物作为单材料双极性材料在有机太阳能电池中的应用。通过调节供体部分多环噻吩的共轭长度，发现增加供体共轭结构可使带隙从1.95 eV降至1.64 eV，同时提升光吸收效率和载流子传输平衡性。其中NDI-4fTh因结晶度优化表现出最佳光伏性能，其电子重组能降低0.06 eV，空穴重组能升高0.05 eV，实现载流子双极传输协同效应。该研究建立了共轭长度与器件性能的定量关系，为新型有机光伏器件设计提供重要理论支撑。

　　

摘要

基于萘二亚胺（NDI）的供体-受体（D–A）共聚物有潜力用作单材料有机太阳能电池（SMOSCs）的理想材料。在本研究中，我们通过改变融合噻吩环的数量，系统地探索了NDI与噻吩共轭的D–A共聚物。随着供体噻吩环共轭长度的增加，带隙显著降低，从1.95 eV降至1.64 eV，这是由于最高占据分子轨道（HOMO）能量水平从-5.84 eV升高到-5.54 eV所致。电子和空穴重组能量的计算表明，增加供体单元中的融合噻吩环数量可以提高电子-空穴的迁移率，从而促进双向传输，并提升光学性能和光伏性能。形态学研究显示，供体基团的共轭程度增加可以提高共聚物的柔韧性，初期会导致结晶度下降，随后NDI-4fTh的结晶度会升高。因此，NDI-4fTh表现出更好的电荷传输性能，从而提高了有机太阳能电池的性能。总体而言，本研究通过仔细调节NDI基共聚物中供体基团的共轭长度，强调了结构与性能之间的关系，这对下一代有机光伏器件具有重要意义。

图形摘要

通过增加融合噻吩供体单元的数量，研究了基于萘二亚胺的供体-受体共聚物作为单材料有机太阳能电池的适用性。供体π共轭程度的增加导致最高占据分子轨道逐渐升高，同时吸收光谱发生红移，光伏性能也得到改善。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可向通讯作者索取。