在各種基于茈二酰亞胺（PDI）的小分子非富勒烯受體（NFA）中，PDI二聚體可有效避免單個PDI的過度聚集并改善光伏性能。但是，PDI二聚體中二萘嵌苯核的扭曲會破壞有效的結(jié)合。因此，PDI二聚體的環(huán)形環(huán)化是平衡膜質(zhì)量和電子傳輸?shù)目尚蟹椒ǎ窍到y(tǒng)的研究卻很少受到關(guān)注。在這里，我們選擇一個簡單的亞乙烯基連接的PDI二聚體V-PDI
2，然后對四種衍生的PDI稠合PDI二聚體的結(jié)構(gòu)-特性-性能關(guān)系進行進一步的研究，即V-TDI
2、V-FDI
2、V-PDIS
2和V-PDISe
2。前兩個在內(nèi)側(cè)海灣位置摻入了噻吩并蒽和苯并呋喃，而后兩個在外側(cè)海灣位置分別摻入了噻吩和硒吩。理論計算表明，內(nèi)部和外部融合結(jié)構(gòu)在很大程度上影響了骨架的構(gòu)型，前兩個趨于平面結(jié)構(gòu)，后兩個保持了扭曲的主干。光伏特性表明，內(nèi)部熔合的PDI二聚體提供高的開路電壓（VOC），而外部熔合的PDI二聚體提供大的短路電流密度（JSC）。這種變化趨勢是由合理可調(diào)的能級、光吸收、分子結(jié)晶度和薄膜形態(tài)引起的。結(jié)果，PBDB-T:V-PDISe
2器件顯示了6.51％的最高功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），而PBDB-T:VFDI
2器件則實現(xiàn)了1.00 V的最高VOC。這一貢獻表明外部PDI二聚體的環(huán)化在海灣區(qū)域內(nèi)或內(nèi)部是調(diào)節(jié)基于PDI的非富勒烯受體性質(zhì)的可行方法。
Figure 1. 五個乙烯基連接的PDI二聚體V-TDI
2、V-FDI
2、V-PDI
2、V-PDIS
2和V-PDISe
2的化學(xué)結(jié)構(gòu)。
Figure 2. 對于5個PDI二聚體，通過DFT計算得到的LUMO和HOMO的最佳分子幾何結(jié)構(gòu)和電子密度分布的俯視圖和側(cè)視圖。
Figure 3. （a）五個PDI二聚體的循環(huán)伏安曲線。（b）基于五個PDI二聚體的有源層能級示意圖。（c）PBDB-T的化學(xué)結(jié)構(gòu)。
Figure 4.基于具有0.5％DIO作為溶劑添加劑的PBDB-T/受體太陽能電池的（a）電流密度電壓（J-V）曲線和（b）外部量子效率（EQE）光譜。
Figure 5. PBDB-T:V-TDI
2（a），PBDB-T:V-FDI
2（b），PBDB-T:V-PDI
2（c），PBDB-T:V-PDIS
2（d）和PBDB-T:V-PDISe
2（e）混合膜的AFM高度輪廓圖與相應(yīng)的RMS值。
相關(guān)研究成果于2020年由中國國家納米科學(xué)技術(shù)中心Erjun Zhou課題組，發(fā)表在Journal of Energy Chemistry（doi.org/10.1016/j.jechem.2019.03.007）上。原文：Tuning the optoelectronic properties of vinylene linked perylenediimide dimer by ring annulation at the inside or outside bay positions for fullerene-free organic solar cells。
