Fluorinated Benzothiadiazole (BT) Groups as a Powerful Unit for High-Performance Electron-Transporting Polymers

材料科学 聚合物 堆积 结晶度 层状结构 分子间力 结晶学 聚合物太阳能电池 复合材料 有机化学 分子 化学
作者
Junghoon Lee,Moonjeong Jang,Sang Myeon Lee,Dohyuk Yoo,Tae Joo Shin,Joon Hak Oh,Changduk Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:6 (22): 20390-20399 被引量:59
标识
DOI:10.1021/am505925w
摘要

Over the past few years, one of the most remarkable advances in the field of polymer solar cells (PSCs) has been the development of fluorinated 2,1,3-benzothiadiazole (BT)-based polymers that lack the solid working principles of previous designs, but boost the power conversion efficiency. To assess a rich data set for the influence of the fluorinated BT units on the charge-transport characteristics in organic field-effect transistors (OFETs), we synthesized two new polymers (PDPP-FBT and PDPP-2FBT) incorporating diketopyrrolopyrrole (DPP) and either single- or double-fluorinated BT and thoroughly investigated them via a range of techniques. Unlike the small differences in the absorption properties of PDPP-FBT and its nonfluorinated analogue (PDPP-BT), the introduction of doubly fluorinated BT into the polymer backbone induces a noticeable change in its optical profiles and energy levels, which results in a slightly wider bandgap and deeper HOMO for PDPP-2FBT, relative to the others. Grazing incidence X-ray diffraction (GIXD) analysis reveals that both fluorinated polymer films have long-range orders along the out-of-plane direction, and π–π stacking in the in-plane direction, implying semicrystalline lamellar structures with edge-on orientations in the solid state. Thanks to the strong intermolecular interactions and highly electron-deficient π-systems driven by the inclusion of F atoms, the polymers exhibit electron mobilities of up to 0.42 and 0.30 cm2 V–1 s–1 for PDPP-FBT and PDPP-2FBT, respectively, while maintaining hole mobilities higher than 0.1 cm2 V–1 s–1. Our results highlight that the use of fluorinated BT blocks in the polymers is a promising molecular design strategy for improving electron transporting performance without sacrificing their original hole mobility values.
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