在各种基于茈二酰亚胺（PDI）的小分子非富勒烯受体（NFA）中，PDI二聚体可有效避免单个PDI的过度聚集并改善光伏性能。但是，PDI二聚体中二萘嵌苯核的扭曲会破坏有效的结合。因此，PDI二聚体的环形环化是平衡膜质量和电子传输的可行方法，但是系统的研究却很少受到关注。在这里，我们选择一个简单的亚乙烯基连接的PDI二聚体V-PDI₂，然后对四种衍生的PDI稠合PDI二聚体的结构-特性-性能关系进行进一步的研究，即V-TDI₂、V-FDI₂、V-PDIS₂和V-PDISe₂。前两个在内侧海湾位置掺入了噻吩并蒽和苯并呋喃，而后两个在外侧海湾位置分别掺入了噻吩和硒吩。理论计算表明，内部和外部融合结构在很大程度上影响了骨架的构型，前两个趋于平面结构，后两个保持了扭曲的主干。光伏特性表明，内部熔合的PDI二聚体提供高的开路电压（VOC），而外部熔合的PDI二聚体提供大的短路电流密度（JSC）。这种变化趋势是由合理可调的能级、光吸收、分子结晶度和薄膜形态引起的。结果，PBDB-T:V-PDISe₂器件显示了6.51％的最高功率转换效率（PCE），而PBDB-T:VFDI₂器件则实现了1.00 V的最高VOC。这一贡献表明外部PDI二聚体的环化在海湾区域内或内部是调节基于PDI的非富勒烯受体性质的可行方法。
 
Figure 1. 五个乙烯基连接的PDI二聚体V-TDI₂、V-FDI₂、V-PDI₂、V-PDIS₂和V-PDISe₂的化学结构。
 

Figure 2. 对于5个PDI二聚体，通过DFT计算得到的LUMO和HOMO的最佳分子几何结构和电子密度分布的俯视图和侧视图。
 
  
Figure 3. （a）五个PDI二聚体的循环伏安曲线。（b）基于五个PDI二聚体的有源层能级示意图。（c）PBDB-T的化学结构。
 

Figure 4.基于具有0.5％DIO作为溶剂添加剂的PBDB-T/受体太阳能电池的（a）电流密度电压（J-V）曲线和（b）外部量子效率（EQE）光谱。
 

Figure 5. PBDB-T:V-TDI₂（a），PBDB-T:V-FDI₂（b），PBDB-T:V-PDI₂（c），PBDB-T:V-PDIS₂（d）和PBDB-T:V-PDISe₂（e）混合膜的AFM高度轮廓图与相应的RMS值。
 
       相关研究成果于2020年由中国国家纳米科学技术中心Erjun Zhou课题组，发表在Journal of Energy Chemistry（doi.org/10.1016/j.jechem.2019.03.007）上。原文：Tuning the optoelectronic properties of vinylene linked perylenediimide dimer by ring annulation at the inside or outside bay positions for fullerene-free organic solar cells。