Molecular Engineering of Conjugated Polymers for Nonfullerene Polymer Solar Cells

Abstract

A series consisting of three D-A conjugated polymers based on diphenyl quinoxaline structure containing trifluoromethyl (CF3Qx) was carefully constructed and synthesized in this study aiming to determine the influence of chemical structure on its polymer solar cells devices performance. Modification was made as an effort to escalate the power conversion efficiency by attaching fluorine and methoxy at the 6,7-positions of the acceptor unit. The acceptor unit was then coupled with fluorine and long alkyl chain-substituted benzodithiophene connected by thiophene bridges via Pd-assisted Stille coupling method. The fabrication of conventional type devices with ITO/PEDOT:PSS/polymers:Y6/PDINO/Al configuration and utilizing Y6 as the nonfullerene acceptor was conducted to observe the photovoltaic properties of the polymers. As the result, the fluorinated polymer PBF-CF3QxF exhibited excellent PCE of 11.37% with JSC of 24.03 mA/cm2, VOC of 0.86 V, and FF of 0.57 owing to the low-lying HOMO energy level and favorable charge transport influenced by the existence of F atom.|본 연구에서는 D-A alternating 구조의 공액형 고분자를 합성한 뒤, 합성된 화합물의 화학 구조 차이에 따른 태양전지 소자 성능의 특성을 연구하였다. 전자 주개로 불소 그룹과 알킬 사슬이 치환된Benzodithiophene (BDT)를 사용하였고, Diphenyl quinoxaline 구조에 Trifluoromethyl (CF3-)을 도입한 전자 받개 반복 단위를 기반으로 서로 다른 3개의 고분자를 설계 및 합성하였다. 해당 고분자는 광전 변환 효율을 높이기 위하여 모든 전자 주개 반복단위에 불소 그룹을 도입 하였으며, 전자 받개 반복 단위로는 다른 그룹이 도입되지 않은 CF3Qx, 6, 7번 위치에 불소 그룹이 도입 된 CF3QxF 그리고 6, 7번 위치에 OCH3 그룹을 도입한CF3QxM을 각각 합성하였다. 이때 전자 받개 반복 단위와 전자 주개 반복 단위는 Pd촉매를 이용한 Stille coupling 방법을 활용하여 thiophene 브릿지로 연결하였다. 해당 고분자들의 광 전지 특성을 관찰하기 위하여 비풀러렌 수용체로 Y6를 활용한 conventional type 의 ITO/PEDOT:PSS/polymers:Y6/PDINO/Al의 소자를 구성하였다. 그 결과, 6,7번 위치에 불소 그룹이 도입된 PBF-CF3QxF가 낮은 HOMO 에너지 준위와 불소 그룹 도입의 영향으로 전하 수송 능력 향상을 통해 최고 효율인 11.37%로 측정되었다. 따라서, 이러한 결과는 향후 퀴녹살린 기반의 공액형 고분자에 대한 구조와 물성 간의 상관관계에 대한 연구로써 활용될 수 있을 것이다.