Design, synthesis, and properties of benzobisthiadiazole-based donor-π-acceptor-π-donor type of low-band-gap chromophores and polymers

A novel low-band-gap chromophore (5, 0.86 eV) having fluorene as a donor, benzobisihiadiazole (BBTD) as an acceptor, and pyrrole as a π-spacer was successfully designed and synthesized, to probe the effect of π-spacer on the band-gap level of the donor-π-acceptor-π-donor type of chromophores. Compared with the thiophene spacer analogue (in compound 3), the intramolecular hydrogen bonding between the pyrrole and the neighboring BBTD unit pushes the absorption maximum and fluorescence emission of chromophore 5 into the near-infrared spectral region with a red shift of 172 and 158 nm, respectively. The same red-shift phenomenon can also be realized by addition of Lewis acid (e.g., B[F.sub.3]) to the BBTD-containing chromophores with other spacers. Attempt of using low-band-gap chromophore 5 in bulk heterojunction (BHJ) solar cells was made, showing a non-optimized photovoltaic device with the power conversion efficiency of 0.01%. A precursor approach to introduction of the alkaline-labile BBTD acceptor into the polymer backbone has been demonstrated by successful synthesis of low-band-gap polymer P2. The same strategy can be in principle applied to the synthesis of a series of low-band-gap chromophores or polymers with strong acceptors. Key words: donor-π-acceptor-π-donor, chromophore, low band gap, bulk heterojunction (BHJ), precursor polymer. Afin de pouvoir etudier l'effet d'un espaceur π sur le niveau d'energie interbande des chromophores de type donneur-π-accepteur-π-donneur, on a developpe et synthetise un nouveau chromophore de basse energie interbande (5, 0,86 eV) comportant un fluorene comme donneur, un benzobisthiadiazole (BBTD) comme accepteur et un noyau pyrrole comme espaceur π. Par comparaison avec l'analogue comportant un espaceur thiophene (dans le compose 3), la liaison hydrogene intramoleculaire entre le pyrrole et l'unite adjacente BBTD deplace le maximum d'absorption et l'emission de fluorescence du chromophore 5 dans la region spectrale du proche infrarouge avec des deplacements vers le rouge de respectivement 172 et 158 nm. On peut observer le meme phenomene de deplacement vers le rouge par l'addition d'un acide de Lewis (tel le B[F.sub.3]) a des chromophores comportant du BBTD et d'autres espaceurs. On a essaye d'utiliser le chromophore 5 a faible energie interbande dans des cellules solaires a heterojonction globale (HJG); on a obtenu un dispositif non voltaique non optimise ayant une efficacite de conversion de pouvoir de 0,01 %. On a demontre l'applicabilite d'une autre approche a l'introduction de l'accepteur BBTD labile aux produits alcalins dans le squelette d'un polymere en effectuant avec succes la synthese du polymere P2 de faible energie interbande. En theorie, la meme strategie peut etre appliquee a la synthese d'une serie de chromophores ou de polymeres de faible energie interbande avec des accepteurs forts. Mots-cles: donneur-π-accepteur-π-donneur, chromophore, faible energie interbande, heterojonclion globale (HJG), polymere preeurseur.
[Traduit par la Redaction] Introduction Research on low-band-gap organic materials (e.g.. chromophores and polymers), whose band-gap levels, defined as the difference between the highest occupied molecular orbital (HOMO) and the [...]