Energy Level Modulation of HOMO, LUMO, and Band‐Gap in Conjugated Polymers for Organic Photovoltaic Applications

轨道能级差 材料科学 离域电子 共轭体系 接受者 带隙 聚合物 单体 光化学 化学 有机化学 光电子学 分子 物理 凝聚态物理 复合材料
作者
Bong‐Gi Kim,Xiao Ma,Chelsea Chen,Yutaka Ie,Elizabeth W. Coir,Hossein Hashemi,Yoshio Aso,Peter F. Green,John Kieffer,Jinsang Kim
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:23 (4): 439-445 被引量:209
标识
DOI:10.1002/adfm.201201385
摘要

Abstract To devise a reliable strategy for achieving specific HOMO and LUMO energy level modulation via alternating donor‐acceptor monomer units, we investigate a series of conjugated polymers (CPs) in which the electron withdrawing power of the acceptor group is varied, while maintaining the same donor group and the same conjugated chain conformation. Through experiment and DFT calculations, good correlation is identified between the withdrawing strength of the acceptor group, the HOMO and LUMO levels, and the degree of orbital localization, which allows reliable design principles for CPs. Increasing the acceptor strength results in an enhanced charge transfer upon combination with a donor monomer and a more pronounced decrease of the LUMO level. Moreover, while HOMO states remain delocalized along the polymer chain, LUMO states are strongly localized at specific bonds within the acceptor group. The degree of LUMO localization increases with increasing polymer length, which results in a further drop of the LUMO level and converges to its final value when the number of repeat units reaches the characteristic conjugation length. Based on these insights we designed PBT8PT, which exhibits 6.78% power conversion efficiency after device optimization via the additive assisted annealing, demonstrating the effectiveness of our predictive design approach.
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