合成了一系列基于芴和苯并噻二唑的低带隙平面共轭聚合物P1（PFDTBT），P2（PFDTDFBT）和P3（PFDTTBT）。研究了氟取代和稠合芳香族间隔基对光电子和光伏性能的影响。衍生自二噻吩基化苯并噻唑和芴的聚合物P1在-5.48eV下表现出最高的占据分子轨道（HOMO）能级。密度泛函理论（DFT）研究以及实验测量表明，在用氟取代受体时，所得聚合物的HOMO和最低未占分子轨道（LUMO）能级，P2降低，导致更高的开路电压和短路电流，光伏器件的总体改善超过110％。此外，由于氟取代基和硫原子之间的静电相互作用增强，还观察到氟化聚合物P2之间的扭转角的减小，导致高空穴迁移率。还研究了与P1骨架相比在聚合物P3中使用稠合的π-桥以增强平面性。这种增强的平面性导致所报道的三种聚合物中观察到的最高迁移率以及P3的器件效率提高超过40％。
关键词： 体异质结; 供体 - 受体 - 供体聚合物; 低带隙聚合物; 有机光伏发电
对有机光伏（OPV）器件的极大兴趣是由于它们易于低温溶液处理，重量轻，灵活性和生产大面积器件的潜力[1]。在OPV器件的有源层中引入互穿的施主和受主结构导致了一种新型器件，即所谓的本体异质结（BHJ）太阳能电池，具有改进的功率转换效率（PCE）[2-4] ]。已经合成了大量的供体 - 受体 - 供体（D-A-D）结构的聚合物半导体材料并用于OPV器件中，最近达到了高达11.7％的显着PCE [5-7]。然而，单体单元的多样性和关于D-A-D-共轭p型聚合物结构复杂性的众多可用报告表明仍然需要能够进一步改善基于D-的OPV器件性能的新材料。 A-D聚合物[8-13]。通过仔细选择，组合和定位供体和受体部分，可以容易地调整D-A-D型材料的性质，例如带隙，结构平面性，电荷载流子传输等。
对于OPV系统，理想的是p型聚合物应具有低带隙，以获得太阳光谱的宽吸收区域，以获得最大数量的光子[14]。同时，这些化合物也应该可溶于普通有机溶剂并具有良好的成膜性能。然而，这些不是设计新的供体聚合物系统时要考虑的唯一参数。在OPV器件中，供体和受体材料的双连续层夹在两个电极之间。在吸收光之后，产生激子，其向供体 - 受体层的界面解离并分离成自由载体。然后在电极处收集这些自由载流子以产生电流[15]。这种电荷分离的驱动力源于供体和受体材料的前线分子能级之间的能量偏移，广义上称为结合能[15]。在通过调节最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占分子轨道（LUMO）能级来减小带隙的同时，应保持激子离解的下坡驱动力以实现OPV的最佳性能。如果不是，则总激子解离将减少，因此整体器件效率也会降低。
此外，对于有效的OPV系统，需要适度高的电荷载流子迁移率，这可通过增加具有牢固堆积的聚合物链的聚合物的结晶度来实现。然而，聚合物结晶度的增加将同时降低它们在溶液中的可加工性。这将导致受体形成所需的双连续形态[16]。因此，在设计用于OPV应用的新分子时，应保持降低带隙，结晶度和溶解度之间的微妙平衡。已经报道了通过分子水平[17-19]的建筑设计调整光电子和光伏特性的广泛研究，例如聚合物主链的喹啉化[20]。，交替的D-A-D架构[21,22]，以及吸电子或电子给予基团的取代[23,24]。取代可用于调整带隙，能级，溶解度，材料堆积和形态[8]。其中，氟的引入由于其小尺寸和强吸电子性质而引起了极大的兴趣，并且氟取代将修正HOMO和LUMO能级。此外，沿骨架的取代说明了更多的分子间和分子内相互作用[25-29]。此外，p型分子的供体和受体单元之间的π-桥的修饰在提高OPV的效率方面起着重要作用[30,31]。。然而，相对于噻吩和呋喃间隔物，较少研究具有较大分子结构和较高共轭度的稠合π-桥（例如噻吩并噻吩）。由于其刚性和共面的熔融结构，噻吩并噻吩确保了高度离域的电子系统和更高的电荷载流子迁移率。此外，与噻吩取代的聚合物相比，一些基于噻吩并噻吩的聚合物在其吸收光谱中显示出明显的红移[32-34]。在此，考虑到所有这些标准，我们努力获得一系列低带隙聚合物，P1，P2和P3，具有与受体部分匹配的HOMO-LUMO能级，而不牺牲分子的平面性。苯并噻二唑和芴是D-A-D型聚合物中常用的部分，已分别被选为受体和供体[35,36]。受体基序进一步与噻吩偶联以增加缀合长度和吸收。用氟取代相同的受体部分，研究了这种取代对聚合物和光伏性能的影响。此外，还通过与稠合的噻吩并噻吩部分偶联来研究平面性和共轭延伸对聚合物主链的影响。