Electron-Withdrawing Fluorine substituent effects of Trifluoromethylated Quinoxaline-Based Polymers on Photovoltaic Properties

Abstract

In order to clarify the impact of strongly electron-attracting fluorine (F) substituents for the polymers’ photovoltaic characteristics, three types trifluoromethylated quinoxaline-based polymers using various fluorine atom numbers were developed in this study. A trifluoromethylated quinoxaline acceptor was coupled with a benzodithiophene donor to produce an unfluorinated reference quinoxaline-based polymer, PTB-QxCF3. Subsequently, the trifluoromethylated quinoxaline unit was then fluorinated on the 6,7-positions after adding mono- and di- fluorine atoms, respectively, to generate the trifluoromethylated polymers PTB-FQxCF3 and PTB-2FQxCF3. Y6BO was used as a non-fullerene acceptor (NFA) in the inverted-type organic solar cell to study the photovoltaic properties. There was significantly increased in the power conversion efficiency (PCE) about devices based on fluorinated PTB-FQxCF3 (11.95%) and PTB-2FQxCF3 (13.50%) over those that used unfluorinated PTB-QxCF3 (4.80%). The rapid increase in the photovoltaic parameters of devices with fluorinated polymers had led to this notable improvement in PCEs. As a result, this research demonstrates valuable insight into the electron-withdrawing fluorine effects for photovoltaic properties of quinoxaline-based polymer.|본 연구에서는 서로 다른 개수의 플루오린 치환기를 가지고 있는 전자 받개 그룹이 되입된 공액형 고분자들을 구상 및 합성 후, 유기형 반도체 소자인 유기태양전지 소자의 효율 및 특성에 관하여 연구를 진행하였다. 먼저, 기준 물질로써 플루오린을 포함하지 않는 PTB-QxCF3 고분자에 대한 합성을 진행하였는데 이때 전자 주개로 알킬 사슬을 포함하고 있는 benzodithiophene(BDT)를 사용하였다. 이어서 퀴녹살린의 6번 위치에 플루오린을 포함하는 전자 주개와 기준 물질 합성 시에 사용한 전자 받개를 사용하여 PTB-FQxCF3를 합성하였다. 마지막으로 6번과 7번 자리에 플루오린을 가지고 있는 퀴녹살린과 BDT를 사용하여 PTB-2FQxCF3를 합성하였다. 이 고분자들의 광전지 특성을 알아보기 위하여 inverted-type 구조의 소자에 (ITO)/ZnO/active layer (polymer:Y6BO)/MoO3/Ag 형태로 측정을 진행하였다. 측정 결과 기준 물질인 PTB-QxCF3는 4.80%인 반면에 6번 위치에 플루오린이 도입된 PTB-FQxCF3는 11.95%, 6,7번에 플루오린 원자가 도입된 PTB-2FQxCF3 13.50%로 측정되었다. 따라서, 퀴녹살린에 플루오린을 포함하는 고분자들이 더 높은 광전지 특성을 보이며 이를 기반으로 퀴녹살린 기반의 공액형 고분자들에대한 플루오린 도입 전략의 유용성을 입증하는 연구에 활용될 수 있을 것이다.