Estimation of electronic coupling in π -stacked donor-bridge-acceptor systems: correction of the two-state model

Comparison of donor-acceptor electronic couplings calculated within two-state and three-state models suggests that the two-state treatment can provide unreliable estimates of Vda because of neglecting the multistate effects. We show that in most cases accurate values of the electronic coupling in a π stack, where donor and acceptor are separated by a bridging unit, can be obtained as Ṽ da = (E2 - E1) μ12 Rda + (2 E3 - E1 - E2) 2 μ13 μ23 Rda2, where E1, E2, and E3 are adiabatic energies of the ground, charge-transfer, and bridge states, respectively, μij is the transition dipole moments between the states i and j, and Rda is the distance between the planes of donor and acceptor. In this expression based on the generalized Mulliken-Hush approach, the first term corresponds to the coupling derived within a two-state model, whereas the second term is the superexchange correction accounting for the bridge effect. The formula is extended to bridges consisting of several subunits. The influence of the donor-acceptor energy mismatch on the excess charge distribution, adiabatic dipole and transition moments, and electronic couplings is examined. A diagnostic is developed to determine whether the two-state approach can be applied. Based on numerical results, we showed that the superexchange correction considerably improves estimates of the donor-acceptor coupling derived within a two-state approach. In most cases when the two-state scheme fails, the formula gives reliable results which are in good agreement (within 5%) with the data of the three-state generalized Mulliken-Hush model

Extended donor and acceptor molecules for organic electronics

Die Untersuchung von halbleitenden Materialien auf der Basis von organischen Molekülen stellt ein Gebiet der angewandten Forschung an der Schwelle zur industriellen Nutzung dar. Geringes Gewicht und hohe mechanische Flexibilität ermöglichen völlig neue Produkte, die mit anorganischen Halbleitern nicht zu realisieren sind. Die Herstellung von Bauteilen wie Transistoren, Solarzellen oder Leuchtdioden aus organischen Materialien ist ein komplexes Gebiet, das einer Vielzahl von unterschiedlichen Optimierungen bedarf, um eine konkurrenzfähige Leistung zu erreichen. Die synthetische organische Chemie bietet vielfältige Möglichkeiten, mit maßgeschneiderten Lösungen zum Optimierungsprozess beizutragen. Zum einen können neue aktive Materialien hergestellt werden mit besserer Leistung und leichterer Verarbeitbarkeit. Zum anderen sind Substanzen zugänglich, die z.B. bei der Ladungsträgerinjektion hilfreich sein können.rnIn dieser Arbeit wurde an beiden dieser Fronten gearbeitet. Dabei lag die Entwicklungsstrategie darin, ausgedehnte π-konjugierte Moleküle herzustellen, die entweder besonders elektronenarme Akzeptoren oder elektronenreiche Donoren darstellen. Die genaue Kontrolle der elektronischen Niveaus stellt einen wichtigen Bestandteil dar, um niedrige elektrische Kontaktbarrieren zu Metallen zu erreichen und ausreichend stabile Materialien zu erreichen.rnDer erste Fokus der Arbeiten lag in der Funktionalisierung von Coronen. Dieser PAH stellt einen guten Kompromiss bezüglich seiner Größe dar: Er ist groß genug, um Diffusion in andere Schichten von Bauteilen zu vermeiden, aber nicht zu groß, um Verarbeitung durch Vakuumsublimation zu ermöglichen. Bislang sind praktisch keine Coronen-Derivate in der Literatur beschrieben, weshalb eine neue Synthese entwickelt werden musste, die die Einführung starker Donor- und Akzeptorfunktionalitäten erlaubt. Die photochemische Cyclodehydrierung von substituierten [2.2.2]paracyclophan-trienen stellte sich als hervorragende Möglichkeit heraus, dies zu bewerkstelligen. Es wurde eine Reihe von methoxy-substitutierten Coronenen mit unterschiedlicher Symmetrie hergestellt. Mittels optischer Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass Methoxygruppen wenig Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften von Coronen haben. Unter Spaltung der Methylether und anschließender Oxidation allerdings sind Coronenketone zugänglich, welche bis zu drei α-Diketongruppen besitzen. Diese Moleküle sind enorm starke Akzeptoren, was durch Cyclovoltammetrie und Vergleich zu anderen Akzeptoren eindrucksvoll gezeigt werden konnte. Die Sublimation dieses Akzeptors auf die Oberfläche von Metallen zeigt einen dramatischen Einfluss auf die Austrittsarbeit dieses Metalls, was zur Herstellung eines ohmschen Kontakts zu organischen Halbleitern von außerordentlichem Nutzen ist. rnDen zweiten Teil der Arbeit bilden Benzodithiophen enthaltende Polymere, die für den Einsatz als aktive Komponente in elektronischen Bauteilen entwickelt wurden. Nach systematischer Strukturoptimierung wurde ein Polymer enthalten, welches in einem Feldeffekt-Transistor auf Standard-Silizium-Substraten Ladungsträger-Mobilitäten über 0,1 cm2/Vs erreicht mit großer Reproduzierbarkeit und ausgezeichneter Transistor-Charakteristik. Es konnte gezeigt werden, dass die durch die Monomergeometrie erzeugte Kurvung des Polymers zu einem optimalen Kompromiss aus Löslichkeit und effektiver Packung darstellt. Auf für industrielle Anwendungen besonders interessanten polymer-basierten Substraten wurde eine noch erheblich bessere Leistung gezeigt. Auf einem PET-Substrat wurden Feldeffekt-Mobilitäten von 0,5 cm2/Vs gemessen mit überzeugenden Reproduzierbarkeit und Stabilität.rnDamit konnte in der Arbeit ein bedeutender Beitrag zur Weiterentwicklung von Materialien für den Einsatz in elektronischen Bauteilen geleistet werden. Die Substanzen versprechen noch erhebliches Potenzial nach intensiver Optimierung und wurden deshalb zum Patent angemeldet.rn

Water-based nanoparticulate solar cells using a diketopyrrolopyrrole donor polymer

Organic photovoltaic devices with either bulk heterojunction (BHJ) or nanoparticulate (NP) active layers have been prepared from a 1:2 blend of (poly{3,6-dithiophene-2-yl-2,5-di(2-octyldodecyl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1, 4-dione-alt-naphthalene}) (PDPP-TNT) and the fullerene acceptor, ([6,6]-phenyl C71-butyric acid methyl ester) (PC70BM). Atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) have been used to investigate the morphology of the active layers of the two approaches. Mild thermal treatment of the NP film is required to promote initial joining of the NPs in order for the devices to function, however the NP structure is retained. Consequently, whereas gross phase segregation of the active layer occurs in the BHJ device spin cast from chloroform, the nanoparticulate approach retains control of the material domain sizes on the length scale of exciton diffusion in the materials. As a result, NP devices are found to generate more than twice the current density of BHJ devices and have a substantially greater overall efficiency. The use of aqueous nanoparticulate dispersions offers a promising approach to control the donor acceptor morphology on the nanoscale with the benefit of environmentally- friendly, solution-based fabrication. © 2014 the Owner Societies.

Photophysical, electrochemical and solid state properties of diketopyrrolopyrrole based molecular materials: importance of the donor group

Diketopyrrolopyrrole (DPP) based molecular semiconductors have emerged as promising materials for high performance active layers in organic solar cells. It is imperative to comprehend the origin of such a property by investigating the fundamental structure property correlation. In this report we have investigated the role of the donor group in DPP based donor-acceptor- donor (D-A-D) structure to govern the solid state, photophysical and electrochemical properties. We have prepared three derivatives of DPP with varying strengths of the donor groups, such as phenyl (PDPP-Hex), thiophene (TDPP-Hex) and selenophene (SeDPP-Hex). The influence of the donor units on the solid state packing was studied by single crystal X-ray diffraction. The photophysical, electrochemical and density functional theory ( DFT) results were combined to elucidate the structural and electronic properties of three DPP derivatives. We found that these DPP derivatives crystallized in the monoclinic space group P21/c and show herringbone packing in the crystal lattice. The derivatives exhibit weak p-p stacking interactions as two neighboring molecules slip away from each other with varied torsional angles at the donor units. The high torsional angle of 32 degrees ( PDPP-Hex) between the phenyl and lactam ring results in weak intramolecular interactions between the donor and acceptor, while TDPP-Hex and SeDPP-Hex show lower torsional angles of 9 degrees and 12 degrees with a strong overlap between the donor and acceptor units. The photophysical properties reveal that PDPP-Hex exhibits a high Stokes shift of 0.32 eV and SeDPP- Hex shows a high molar absorption co-efficient of 33 600 L mol -1 1 cm -1 1 with a low band gap of similar to 2.2 eV. The electrochemical studies of SeDPP- Hex indicate the pronounced effect of selenium in stabilizing the LUMO energy levels and this further emphasizes the importance of chalcogens in developing new n-type organic semiconductors for optoelectronic devices.

Energy bands and acceptor binding energies of GaN

The energy bands of zinc-blende and wurtzite GaN are calculated with the empirical pseudopotential method, and the pseudopotential parameters for Ga and N atoms are-given. The calculated energy bands are in agreement with those obtained by the ab initio method. The effective-mass theory for the semiconductors of wurtzite structure is established, and the effective-mass parameters of GaN for both structures are given The binding energies of acceptor states are calculated by solving strictly the effective-mass equations. The binding energies of donor and acceptor are 24 and 142 meV for the zinc-blende structure, 20 and 131, and 97 meV for the wurtzite structure, respectively, which are consistent with recent experimental results. It is proposed that there are two kinds of acceptor in wurtzite GaN. One kind is the general acceptor such as C, which substitutes N, which satisfies the effective-mass theory. The other kind of acceptor includes Mg, Zn, Cd, etc., the binding energy of these accepters is deviated from that given by the effective mass theory. In this report, wurtzite GaN is grown by the molecular-beam epitaxy method, and the photoluminescence spectra were measured. Three main peaks are assigned to the donor-acceptor transitions from two kinds of accepters. Some of the transitions were identified as coming from the cubic phase of GaN, which appears randomly within the predominantly hexagonal material. [S0163-1829(99)15915-0].

Induced-fit binding of π-electron donor substrates to macrocyclic aromatic ether-imide-sulfones: a versatile approach to molecular assembly

Novel macrocyclic receptors which bind electron-donor aromatic substrates via π-stacking donor- acceptor interactions are obtained by cyclo-imidization of an amine-functionalized arylether-sulfone with pyromellitic- and 1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydrides. These macrocycles complex with a wide variety of π-donor substrates including tetrathiafulvalene, naphthalene, anthracene, pyrene, perylene, and functional derivatives of these polycyclic hydrocarbons. The resulting supramolecular assemblies range from simple 1:1 complexes, to [2]- and [3]-pseudorotaxanes, and even (as a result of crystallographic disorder) an apparent polyrotaxane. Direct, five-component self-assembly of a metal-centred [3]pseudorotaxane is also observed, on complexation of a macrocyclic ether-imide with 8-hydroxyquinoline in the presence of palladium(II) ions. Binding studies in solution were carried out by 1H NMR and UV-visible spectroscopy, and the stoichiometries of binding were confirmed by Job plots based on charge-transfer absorption bands. The highest association constants are found for strong π-donor guests with large surface-areas, notably perylene and 1-hydroxypyrene, for which Ka values of 1.4 x 103 and 2.3 x 103 M-1 respectively are found. Single crystal X-ray analyses of the receptors and their derived complexes reveal large, induced-fit distortions of the macrocyclic frameworks as a result of complexation. These structures provide compelling evidence for the existence of strong, attractive forces between the electronically-complementary aromatic π-systems of host and guest.

Donor-Akzeptor-substituierte Oligo(phenylenethinylen)e und Oligo(thienylenethinylen)e

Die Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese und den Eigenschaftsuntersuchungen von Oligo(phenylenethinylen)en (OPEs) und Oligo(thienylenethinylen)en (OTEs) mit terminaler Donor-Akzeptor-Substitution. Die Darstellung der Oligomerenreihen erfolgt über ein „Baukastensystem“ bestehend aus Start,- Synthese, - und dem jeweiligen Endbaustein. Die zentrale Synthesereaktion zum Aufbau der Push-Pull-Systeme ist eine moderne und effektive Pd-katalysierte Reaktion, die Sonogashira-Hagihara-Kupplung. Für die dialkylaminosubstituierten OPE-Systeme konnten die Cyano,- Formyl,- Nitro –und Dicyanovinylgruppe als Akzeptoren eingeführt werden. In der dodecylsulfanylsubstituierten OTE-Serie wurde als Akzeptor die Nitrogruppe verwendet, während in der methoxysubstituierten OTE-Reihe die Formyl,- Nitro –und Dicyanovinylgruppe als Akzeptoren eingeführt wurde. Alle Reihen konnten mittels 1H-, 13C-, IR-, MS- und UV/Vis-Spektroskopie vollständig charakterisiert werden. Die Lage des langwelligen Absorptionsmaximums zeigt eine starke Abhängigkeit von der Donor- und Akzeptorstärke der Substituenten sowie von der Länge des konjugierten Pie-Systems. Für beide Pie-Systeme ergibt sich bei hinreichend starker Donor- und Akzeptorsubstitution eine ungewöhnliche hypsochrome Verschiebung der langwelligen Absorptionsmaxima. Mit Hilfe der semiempirischen Quantenmechanik wird ein Modell vorgestellt, das die ungewöhnlichen spektroskopischen Eigenschaften der OPEs und OTEs erklären und vorhersagen kann. Mittels elektrooptischer Absorptionsmessungen ( EOAM ), EFISHG-Messungen sowie der Frequenzverdreifachungsspektroskopie ( THG ) werden die NLO-Eigenschaften in Abhängigkeit von der Konjugationslänge der nitrosubstituierten OPE-Serie bestimmt.

Die Vielseitigkeit von Carbazol in pi-konjugierten Materialien: Makrozyklen, Doppelstrang-Strukturen und Donor-Akzeptor-Copolymere

In dieser Arbeit wurden die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von Carbazol-reichen Verbindungen in unterschiedlichen Architekturen von pi-konjugierten Materialien untersucht. Die Darstellung der Makrozyklen in Kapitel 1 erfolgte über eine templatunterstützte Synthese, da die ausschließlich über ihre para-Position verknüpften Einheiten einen Zugang über ihre Geometrie nicht erlaubten. Cyclododeca-2,7-fluoren wurde als zyklische Modellverbindung für die zahlreichen bekannten linearen Oligo- und Polyfluorene dargestellt, um den Einfluss der Ringstruktur auf die optischen Eigenschaften dieser blau emittierenden Verbindungen zu untersuchen. Motiviert von den geringen Ausbeuten bei der Zyklisierung des Rings unter Yamamoto-Bedingungen wurde nach einer alternativen Kupplungsreaktion gesucht, die den Zugang zu größeren Substanzmengen erlaubt. Die Einführung von terminalen Ethinylgruppen an die zu verknüpfenden Bausteine erlaubte über die Glaser-Eglinton-Reaktion nicht nur eine Verbesserung der Reaktionsausbeute um den Faktor 10, sondern gleichzeitig auch die Erweiterung des Durchmessers auf rund 5 nm. Demonstriert wurde dies anhand der Darstellung von Cyclo[tetrakis(2,7-diethinyltriscarbazol)] und Cyclo[tetrakis(2,7-diethinyltrisfluoren)].rnDer zweite Abschnitt der Dissertation befasste sich mit ausgedehnten zweidimensionalen Strukturen, zu denen auch mehrsträngige Polymere zählen. Für die Darstellung eines Doppelstrang-Polymers mit hoher Periodizität in den beiden in regelmäßigen Abständen verknüpften Strängen wurde ein neues Konzept entwickelt, dass den Zugang zu solchen Verbindungen erlauben sollte. Dieses basierte auf einem vierfach funktionalisierten Carbazol-Makromonomer. Die Polymerisationen wurden in zwei Schritten über Glaser-Eglinton-Reaktionen durchgeführt. Um unkontrollierte Kupplungen zu vermeiden, wurden zwei der vier reaktiven Positionen am Monomer zunächst über Schutzgruppen maskiert und nach der ersten Polymerisation wieder aktiviert. Neben diesem Ansatz über oxidative Ethinylkupplungen wurde auch eine Organometall-Variante mit einem Platin-Komplex im Polymerrückgrat vorgestellt. rnIm dritten Kapitel wurde die Darstellung von Donor-Akzeptor-Polymeren mit niedriger Bandlücke für den Einsatz in organischen Solarzellen besprochen. Im Gegensatz zu den bisherigen Ansätzen in der Literatur wurden hier ganz gezielt Donor- und Akzeptor-Einheiten mit einer Länge von mindestens 1,5 nm synthetisiert und kombiniert, um zu untersuchen, welche Auswirkungen der Einsatz solcher Makromonomere auf die Eigenschaften der Materialien hat. Dabei bestand der Akzeptor-Baustein in drei Polymeren aus Bis[2,7-di-(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan-2-yl)-9,9,18,18-tetraoctylindeno[1,2-b]-yl]-indeno[1,2-b]fluoren-12,15-dion, während die Donor-Stärke durch den Übergang von einem reinen leiterverbrückten Carbazol-Monomer über eine gemischte Carbazol-Thiophen-Einheit hin zu einem reinen Thiophen-Precursor variiert wurde. Dabei zeigte das Polymer mit Thiophen als Donor den höchsten Zellwirkungsgrad von 0,41 %.rn

Molekulare und supramolekulare Eigenschaften von neuen Donor-Akzeptor-Polymeren

Die organische Halbleitertechnologie befindet sich seit Jahrzehnten im Focus des Interesses, da sie eine kostengünstige und umweltverträgliche Alternative zu anorganischen Silizium-basierten Halbleitern darstellt. Die Möglichkeit der gezielten Funktionalisierung von definierten Strukturen durch synthetische Methoden, welche eine große Vielfalt an Materialien ermöglicht, steht dabei besonders im Vordergrund. Die Modifikation von physikalischen Eigenschaften ermöglicht dabei eine stark erleichterte Anpassung für den geplanten Anwendungsbereich. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden organische Halbleitermaterialien basierend auf Cyclopenta[2,1-b:3,4-b']dithiophen (CDT) dargestellt und hinsichtlich ihrer strukturellen und elektronischen Eigenschaften untersucht. In Kombination mit Benzo[c][1,2,5]thiadiazol (BTZ) und weiteren Akzeptoren wurden zunächst Donor(D)-Akzeptor(A)-Polymere synthetisiert und Struktur-Eigenschaft-Beziehungen aufgestellt. So konnte ein sehr hochmolekulares Polymer CDT-BTZ-Polymer (Mn = 36 kg mol-1, PDI = 2.6) erhalten werden, welches sich durch eine hohe lamellare Ordnung und eine gemessene Ladungsträgermobilität in FETs von über 5.0 cm2V-1s-1 bei Raumtemperatur auszeichnete; bei niedrigen Temperaturen (240 K) war letztgenannte 6.5 cm2V-1s-1. Aufgrund dieses hohen Ladungstransports und der Abwesenheit niedermolekularer Polymerketten innerhalb des Polymers konnte erstmals eine Messung eines HALL-Effektes bewerkstelligt werden. Dies war der erste Beweis eines Band-artigen Ladungstransportes an einem Polymerhalbleiter. Des Weiteren wurde durch synthetische Veränderung der Grundstruktur des Polymers zu längeren Alkylketten eine anisotrope Anordnung der Polymerketten erreicht und die Ladungsträgermobilität (6.5 cm2V-1s-1 bei Raumtemperatur) weiter gesteigert. Darauf aufbauend wurde der Einfluss von stereoisomeren Seitenketten an CDT-BTZ-Polymeren auf Packungsverhalten, Parametern (Sperrstrom, Einschaltstrom) in FETs und Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln untersucht. Durch cis-trans-Isomerisierung der Seitenketten wurde hier eine neue Methode zur Optimierung des Packungsverhaltens von Polymeren in dünnen Filmen und Lösung gefunden. Zuletzt wurden D-π-A-Farbstoffen, welche CDT als Verbrückungseinheit (π) beinhalten, dargestellt. Durch Variation von D und A konnten Struktur-Eigenschaft-Beziehungen in der Anwendung in Solarzellen (Feststoffsolarzellen, Flüssigsolarzellen) gefunden werden. Die Untersuchungen der photoinduzierten Absorption und der Photolumisenzenzquantenausbeute lieferten dabei Erklärungen für physikalische Prozesse wie Ladungsinjektion- und rekombination.

Improved performance in diketopyrrolopyrrole-based transistors with bilayer gate dielectrics

There has been significant progress in the past 2 decades in the field of organic and polymer thin-film transistors. In this paper, we report a combination of stable materials, device architecture, and process conditions that resulted in a patterned gate, small channel length (<5 μm) device that possesses a scaled field-induced conductivity in air that is higher than any organic/polymer transistor reported thus far. The operating voltage is below 10 V; the on-off ratio is high; and the active materials are solution-processable. The semiconducting polymer is a new donor-acceptor polymer with furan-substituted diketopyrrolopyrrole and thienyl-vinylene-thienyl building blocks in the conjugated backbone. One of the major striking features of our work is that the patterned-gate device architecture is suitable for practical applications. We also propose a figure of merit to meaningfully compare polymer/organic transistor performance that takes into account mobility and operating voltage. With this figure of merit, we compare leading organic and polymer transistors that have been hitherto reported. The material and device architecture have shown very high mobility and low operating voltage for such short channel length (below 5 μm) organic/polymer transistors.

Photophysical characterization of light-emitting poly(indenofluorene)s

Time-resolved photoluminescence spectroscopy experiments of three poly(2,8-indenofluorene) derivatives bearing different pendant groups are presented. A comparison of the photophysical properties of dilute solutions and thin films provides information on the chemical purity of the materials. The photophysical properties of poly(2,8-indenofluorene)s are correlated with the morphological characteristics of their corresponding films. Wide-angle X-ray scattering experiments reveal the order in these materials at the molecular level. The spectroscopic results confirm the positive impact of a new synthetic approach on the spectral purity of the poly(indenofluorene)s. It is concluded that complete side-chain substitution of the bridgehead carbon atoms C-6 and C-12 in the indenofluorene unit, prior to indenofluorene ring formation, reduces the probability of keto formation. Due to the intrinsic chemical purity of the arylated derivative, identification of a long-delayed spectral feature, other than the known keto band, is possible in the case of thin films. Controlled doping experiments on the arylated derivative with trace amounts of an indenofluorene-monoketone provide quantitative information on the rates of two major photophysical processes, namely, singlet photoluminescence emission and singlet photoluminescence quenching. These results allow the determination of the minimum keto concentration that can affect the intrinsic photophysical properties of this polymer. The data suggest that photoluminescence quenching operates in the doped films according to the Stern-Volmer formalism.

Design and modification of three-component randomly incorporated copolymers for high performance organic photovoltaic applications

In this study we report the molecular design, synthesis, characterization, and photovoltaic properties of a series of diketopyrrolopyrrole (DPP) and dithienothiophene (DTT) based donor-acceptor random copolymers. The six random copolymers are obtained via Stille coupling polymerization using various concentration ratios of donor to acceptor in the conjugated backbone. Bis(trimethylstannyl)thiophene was used as the bridge block to link randomly with the two comonomers 5-(bromothien-2-yl)-2,5-dialkylpyrrolo[3,4-c]pyrrole-1, 4-dione and 2,6-dibromo-3,5-dipentadecyl-dithieno[3,2-b;2′,3′-d] thiophene. The optical properties of these copolymers clearly reveal a change in the absorption band through optimization of the donor-acceptor ratio in the backbone. Additionally, the solution processability of the copolymers is modified through the attachment of different bulky alkyl chains to the lactam N-atoms of the DPP moiety. Applications of the polymers as light-harvesting and electron-donating materials in solar cells, in conjunction with PCBM as acceptor, show power conversion efficiencies (PCEs) of up to 5.02%.

A high mobility P-type DPP-thieno[3,2-b]thiophene copolymer for organic thin-film transistors

A copolymer comprising 1,4-diketopyrrolo[3,4-c]pyrrole (DPP) and thieno[3,2-b]thiophene moieties, PDBT-co-TT, shows high hole mobility of up to 0.94 cm2 V-1 s-1 in organic thin-film transistors. The strong intermolecular interactions originated from π-π stacking and donor-acceptor interaction lead to the formation of interconnected polymer networks having an ordered lamellar structure, which have established highly efficient pathways for charge carrier transport.

High mobility diketopyrrolopyrrole (DPP)-based organic semiconductor materials for organic thin film transistors and photovoltaics

In recent years, the electron-accepting diketopyrrolopyrrole (DPP) moiety has been receiving considerable attention for constructing donor-acceptor (D-A) type organic semiconductors for a variety of applications, particularly for organic thin film transistors (OTFTs) and organic photovoltaics (OPVs). Through association of the DPP unit with appropriate electron donating building blocks, the resulting D-A molecules interact strongly in the solid state through intermolecular D-A and π-π interactions, leading to highly ordered structures at the molecular and microscopic levels. The closely packed molecules and crystalline domains are beneficial for intermolecular and interdomain (or intergranular) charge transport. Furthermore, the energy levels can be readily adjusted, affording p-type, n-type, or ambipolar organic semiconductors with highly efficient charge transport properties in OTFTs. In the past few years, a number of DPP-based small molecular and polymeric semiconductors have been reported to show mobility close to or greater than 1 cm2 V -1 s-1. DPP-based polymer semiconductors have achieved record high mobility values for p-type (hole mobility: 10.5 cm2 V-1 s-1), n-type (electron mobility: 3 cm2 V-1 s-1), and ambipolar (hole/electron mobilities: 1.18/1.86 cm2 V-1 s-1) OTFTs among the known polymer semiconductors. Many DPP-based organic semiconductors have favourable energy levels and band gaps along with high hole mobility, which enable them as promising donor materials for OPVs. Power conversion efficiencies (PCE) of up to 6.05% were achieved for OPVs using DPP-based polymers, demonstrating their potential usefulness for the organic solar cell technology. This article provides an overview of the recent exciting progress made in DPP-containing polymers and small molecules that have shown high charge carrier mobility, around 0.1 cm2 V-1 s-1 or greater. It focuses on the structural design, optoelectronic properties, molecular organization, morphology, as well as performances in OTFTs and OPVs of these high mobility DPP-based materials.

Poly(2,5-bis(2-octyldodecyl)-3,6-di(furan-2-yl)-2,5-dihydro-pyrrolo[3,4-c] pyrrole-1,4-dione-co-thieno[3,2-b]thiophene): A high performance polymer semiconductor for both organic thin film transistors and organic photovoltaics

A new diketopyrrolopyrrole (DPP)-containing donor-acceptor polymer, poly(2,5-bis(2-octyldodecyl)-3,6-di(furan-2-yl)-2,5-dihydro-pyrrolo[3,4-c] pyrrole-1,4-dione-co-thieno[3,2-b]thiophene) (PDBF-co-TT), is synthesized and studied as a semiconductor in organic thin film transistors (OTFTs) and organic photovoltaics (OPVs). High hole mobility of up to 0.53 cm 2 V -1 s -1 in bottom-gate, top-contact OTFT devices is achieved owing to the ordered polymer chain packing and favoured chain orientation, strong intermolecular interactions, as well as uniform film morphology of PDBF-co-TT. The optimum band gap of 1.39 eV and high hole mobility make this polymer a promising donor semiconductor for the solar cell application. When paired with a fullerene acceptor, PC 71BM, the resulting OPV devices show a high power conversion efficiency of up to 4.38% under simulated standard AM1.5 solar illumination.