Synthesis of Methoxy-substituted Quinoxaline-based Conjugated Polymers for Photovoltaic Application

Abstract

Two series of methoxy-substituted conjugated polymers based on quinoxaline were successfully synthesized for photovoltaic application. The first series consisted of three polymers where IDT and IDTT were carefully connected to both non-fluorinated and fluorinated 2,3-diphenylquinoxaline (DPQ) through the thiophene bridge to afford PIDT-QxMT, PIDT-FQxMT, and PIDTT-FQxMT, respectively. The best performance fabricated in the inverted device of ITO/ZnO/active layer/MoO3/Ag was found in PIDTT-FQxMT with 8.51% of PCE, 22.23 mA cm-2 of Jsc, 0.72 V of Voc, and 52.4% of FF due to the employment of fluorine substituent and thieno[3,2-b]thiophene units, simultaneously. Another series consisted of two polymers was synthesized by linking IDT and IDTT directly to a simpler DPQ unit to yield PIDT-QxM and PIDTT-QxM. The best performance was found in PIDTT-QxM where the PCE was boosted up to 10.40% with 23.25 mA cm-2 of Jsc, 0.73 V of Voc, and 61.3% of FF ascribed to the expanded conjugation length by the presence of dithieno[3,2-b]thiophene.

본 연구에서는 두 시리즈의 도너-억셉터 (D-A) 타입 고분자들을 합성한 뒤, 이들을 고분자 기반 유기 태양전지의 광활성층으로 활용하여 광전지 특성을 연구하였다. Indacenodithiophene (IDT) 전자 주게와 메톡시기가 도입된 퀴녹살린 전자 받게에 기초하여 고분자 구조를 설계하였다. 첫 시리즈의 경우, 전자 주게와 전자 받게 사이에 π-bridge가 도입된 PIDT-QxMT, 해당 전자 받게의 퀴녹살린에 불소를 추가 도입한 PIDT-FQxMT 그리고 PIDT-FQxMT의 전자 받게에 IDTT 전자 주게를 결합한 PIDTT-FQxMT를 각각 합성하였다. 첫 시리즈의 광전지 특성은 ITO/ZnO/Active layer/MoO3/Ag의 배치를 가지는 inverted-type 구조의 소자에서 PIDTT-FQxMT가 불소와 π-bridge의 도입을 통해 최고 효율 8.51%로 관측되었다. 다음으로, IDT와 IDTT의 전자 받게와 메톡시기가 도입된 퀴녹살린의 전자 받게가 직접 연결된 PIDT-QxM과 PIDTT-QxM을 각각 합성하였다. 두번째 시리즈의 광전지 특성의 경우에도 inverted-type 구조의 소자에서 PIDTT-QxM이 공액형 구조의 접합 길이가 늘어남에 따라 최고 효율 10.40%로 관측되었다. 따라서, 이러한 결과는 향후 메톡시기가 도입된 퀴녹살린 기반 공액형 고분자의 구조-물성 간 상관관계 연구에 활용될 수 있을 것이다.