Atom-Varied Side Chains in Conjugated Polymers Affect Efficiencies of Photovoltaic Devices Incorporating Small Molecules

侧链 共轭体系 聚合物 材料科学 聚合物太阳能电池 结晶度 接受者 噻吩 分子 轨道能级差 高分子化学 化学 有机化学 复合材料 物理 凝聚态物理
作者
Yu‐Che Lin,Chung-Hao Chen,Ren-Hao Li,Cheng-Si Tsao,Akinori Saeki,Hao-Cheng Wang,Bin Chang,Lin-Yun Huang,Yang Yang,Kung‐Hwa Wei
出处
期刊:ACS applied polymer materials [American Chemical Society]
卷期号:2 (2): 636-646 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acsapm.9b00998
摘要

We synthesized three conjugated polymers involving sulfur (S)-inserted and chlorine (Cl)-substituted side chains of the parent two-dimensional conjugated polymer—poly(benzodithiophene–thiophene–benzooxadiazole) (BO)—to form S-inserted (BO2S), Cl-substituted (BO2Cl), and S-inserted with Cl-substituted (BO2S2Cl) polymers for tuning their surface energies and, thus, interaction with IT-4F small molecule in their binary blends. In the BO:IT-4F blend, the bulk heterojunction (BHJ) structure was constituted mainly from the long-rod BO domains along with a few IT-4F domains that dispersed well in the blend; in contrast, favorable networks for charge transport existed in the BO2S or BO2S2Cl with IT-4F blend. The disk sizes of IT-4F in the BO2S2Cl:IT-4F blend were larger than that in the BO2S:IT-4F blend (23.3 vs 18.1 nm). As the extent of atom variation increased from BO to BO2S to BO2S2Cl, the induced IT-4F crystallinity increased, and the orientation of molecular packing of the polymer varied. The highest PCE (12.06%) was that for the device based on the double sulfur-inserted/chlorine-substituted side chain polymer and IT-4F acceptor (BO2S2Cl:IT-4F), owing to the more balanced hole-to-electron mobility, being consistent with the value predicted (11.8%) using the random forest machine learning model. This study not only provides insight into the photovoltaic performance of the polymers with atom-inserted or -substituted side chain but also reveals that the effects of molecular packing.
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