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高電子親和性ドナーからの電荷抽出のためのレジオ異性体的に純粋な1,7-ジシアノペリレンジイミド二量体
Regioisomerically Pure 1,7-Dicyanoperylene Diimide Dimer for Charge Extraction from Donors with High Electron Affinities.
PMID: 32685819 PMCID: PMC7364591. DOI: 10.1021/acsomega.0c01217.
抄録
ペリレンジイミド(PDI)は、太陽光発電アプリケーションのための安価な電子受容体として広く関心を集めているが、バルクヘテロ接合での過結晶化は、一般的にデバイスの性能を低下させる原因となっている。最近の研究では、ベイリンク型PDIダイマーおよびオリゴマーを形成することでこの問題に取り組んできたが、ここでは隣接するPDIユニットの立体的なバルクが分子に非平面構造を強制的に採用する。これは、分子のパッキングを混乱させ、バルクヘテロ接合におけるドメインサイズを制限する。残念ながら、ベイ領域における電子供与性／離脱性基の導入は、デバイス最適化の観点から非常に望ましいPDIのフロンティア分子軌道（FMO）を微調整するための最良の方法でもある。このベイ領域の競合により、PDIは他の非フラーレンアクセプターに追いつくことが困難になっている。ここでは、レジオ異性体的に純粋な1,7-ジシアノペリレンジイミドの合成と、イミド結合を介した二量化について報告する。これは、バルクヘテロ接合での過結晶化を抑制しながら、FMOのエネルギーを調整するための効果的な戦略であることを示している。得られたアクセプターは-4.2eVという低いLUMOエネルギーを持ち、PDI, PCBM, ITICのような従来のアクセプターでは不可能な場合でも、高い電子親和性を持つドナーポリマーから光電子をアクセプターすることができる。
Perylene diimide (PDI) has attracted widespread interest as an inexpensive electron acceptor for photovoltaic applications; however, overcrystallization in the bulk heterojunction typically leads to low device performance. Recent work has addressed this issue by forming bay-linked PDI dimers and oligomers, where the steric bulk of adjacent PDI units forces the molecule to adopt a nonplanar structure. This disrupts the molecular packing and limits domain sizes in the bulk heterojunction. Unfortunately, the introduction of electron-donating/-withdrawing groups in the bay region is also the best way to fine-tune the frontier molecular orbitals (FMOs) of PDI, which is highly desirable from a device optimization standpoint. This competition for the bay region has made it difficult for PDI to keep pace with other non-fullerene acceptors. Here, we report the synthesis of regioisomerically pure 1,7-dicyanoperylene diimide and its dimerization through an imide linkage. We show that this is an effective strategy to tune the energies of the FMOs while simultaneously suppressing overcrystallization in the bulk heterojunction. The resulting acceptor has a low LUMO energy of -4.2 eV and is capable of accepting photogenerated electrons from donor polymers with high electron affinities, even when conventional acceptors such as PDI, PCBM, and ITIC cannot.
Copyright © 2020 American Chemical Society.