Conjugated polymers composed of alternating electron donor and acceptor segments have come to dominate the materials being considered for organic photoelectrodes and solar cells, in large part because of their favorable near-infrared absorption. The prototypical electron-transporting push–pull polymer poly(NDI2OD-T2) (N2200) is one such material. While reasonably efficient organic solar cells can be fabricated with N2200 as the acceptor, it generally fails to contribute as much photocurrent from its absorption bands as the donor with which it is paired. Moreover, transient absorption studies have shown N2200 to have a consistently short excited-state lifetime (∼100 ps) that is dominated by a ground-state recovery. In this paper, we investigate whether these characteristics are intrinsic to the backbone structure of this polymer or if these are extrinsic effects from ubiquitous solution-phase and thin-film aggregates. We compare the solution-phase photophysics of N2200 with those of a pair of model compounds composed of alternating bithiophene (T2) donor and naphthalene diimide (NDI) acceptor units, NDI-T2-NDI and T2-NDI-T2, in a dilute solution. We find that the model compounds have even faster ground-state recovery dynamics (τ = 45, 27 ps) than the polymer (τ = 133 ps), despite remaining molecularly isolated in solution. In these molecules, as in the case of the N2200 polymer, the lowest excited state has a T2 to NDI charge-transfer (CT) character. Electronic-structure calculations indicate that the short lifetime of this state is due to fast nonradiative decay to the ground state (GS) promoted by strong CT–GS electronic coupling and strong electron-vibrational coupling with high-frequency (quantum) normal modes.

Pi-conjugated semiconducting polymers have garnered attention for a variety of electronic and optoelectronic applications, such as field-effect transistors, thermoelectric generators, and photovoltaic devices. In these systems, the charge carrier dynamics are primarily governed by the properties of the polaron and the polymer microstructure. More recently, there has been growing interest in the suitability of these polymer for electrochemical transistors and (photo)electrochemical applications, where the understanding is further complicated by the presence of ions and solvent molecules, as well as the dynamic transport of these species into the semiconducting polymer. Here, we will employ steady-state and transient spectroscopic techniques to probe the influence of charge carrier doping, as well as the extrinsic and local dielectric environments, on charge carrier generation, transport, and recombination in prototypical semiconducting polymer(s). Incorporation of electrochemical techniques enables in-situ spectroscopic measurements that mimic operando conditions. Our observations will provide a better understanding of the factors that control the carrier dynamics in these compositionally complex systems and will have implications for their viability and optimization for (photo)electrochemical applications.