Synthesis of Quinoxaline-based Conjugated Polymers with Strong Electron-withdrawing Cyano Group for Photovoltaic Application

Abstract

A new series of the quinoxaline-based conjugated polymers have been successfully synthesized for photovoltaic application. The polymers were synthesized by the Stille coupling reaction and have construction based on the donor-pi bridge-acceptor (D-π-A) configuration. The 2-ethylhexyloxy benzodithiophene (BDT) as the donor backbone is connected to the di(m-hexyloxy) phenylquinoxaline (DPQ) acceptor backbone through thiophene bridge, to afford PBEh-QxHex. A cyano group, as the strong electron-withdrawing substituent, was incorporated on quinoxaline structure to yield PBEh-QxCNHex, since the previous studies showed that the conjugated polymers with the substituents had a notable effect on the solar cell device. The introducing of the cyano group can enhance intermolecular interaction, leading to the improvement of all photovoltaic properties. The PBEh-QxCNHex possesses the open-circuit voltage (Voc) of 0.79 V, short-circuit current (Jsc) of 17.24 mA/cm2, and fill factor (FF) of 53.3%. Furthermore, the substitution of 2-ethylhexyloxy to 2-ethylhexyl-fluorinated thiophene moiety on the BDT unit producing PBTF-QxCNHex conduces higher photovoltaic properties. These all-polymer devices were fabricated based on an inverted-type structure with ITO/ZnO/polymer: PC71BM/MoO3/Al configuration. Owing to the better planarity in PBTF-QxCNHex, this polymer exhibits the highest PCE of 8.66%, followed by Voc of 0.92 V, short-circuit current (Jsc) of 15.59 mA/cm2, and fill factor (FF) of 60.7%.

본 연구는 태양전지에 적용 가능한 새로운 퀴녹살린 기반의 공액 구조 고분자 series 를 성공적으로 합성하였다. Stille coupling reaction을 이용하여 donor-pi bridge-acceptor (D-π-A) 배열을 가지는 고분자를 합성하였다. 전자공여체로 사용되는 2-ethylhexyloxyn benzodithiophene(BDT)는 thiophene ring과 연결되어 이 결합된 전자수용체의 중심인 di(m-hexyloxy)phenylquinoxaline (DPQ)와 thiophene bridge로 연결된 구조의 고분자인 PBEh-QxHex를 합성하였다. 이전의 연구에서 강한 전자 끄는 기로 알려진 cyano 기로 치환된 공액 고분자에서 상당히 좋은 태양전지 효율을 보여주었기 때문에, cyano기가 치환된 퀴녹살린 기반 고분자 PBEh-QxCNHex를 합성하였다. Cyano 기의 도입은 분자내 상호작용을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 태양전지의 성능을 향상 시킬 수 있다. PBEh-QxCNHex는 0.79 V의 open-circuit voltage (Voc), 17.24 mA/cm2 의 short-circuit current (Jsc) 그리고 53.3 %의 fill factor (FF)를 지닌다. 또한, PBEh-QxCNHex의 BDT unit에 2-ethylhexyloxy를 대신하여 2-ethylhexyl-fluorinated thiophene 으로 치환된 BDT unit 을 이용하여 치환기로 PBTF-QxCNHex을 합성하였으며, 광전자소자 성능을 향상시킬 수 있었다. 해당 고분자를 기반으로 한 소자는 ITO/ZnO/polymer: PC71BM/MoO3/Al의 배치를 가지는 inverted-type 구조로 만들어졌다. 고분자 구조적으로 PBTF-QxCNHex의 더 좋은 평면성 때문에, 해당 고분자는 0.92V의 Voc, 15.59 mA/cm2의 Jsc, 그리고 60.7%의 fill factor로 8.66%의 가장 좋은 소자 효율을 보였다.