Structure-to-Photovoltaic Property Relationships in New Small Molecule Acceptors for Organic Solar Cells

Abstract

OPVs with high efficiencies at present rely on fullerene-based acceptors, which suffer from several issues such as high synthetic cost, morphological instability, limited visible light absorption, and poor electronic tunability. In this study, we have synthesized a series of small molecule acceptors (DFDO-RC2 and DFDE-RC2) composed of electron-rich dithienosilole (D) and electron-deficient difluorobenzodiathiazole (F), benzodiathiazole-connected 3-ethylrhodanine (RC2) units, and alkyl chains of 2-ethylhexyl (E) and octyl (O) groups on the backbone structure. However, the PTB7-Th:DFD-RC2 devices showed low PCEs mainly due to the relatively highly located highest occupied molecular orbital (HOMO) energy levels of the small molecule acceptors. To further lower the HOMO, modifications to the backbone structure were made by replacing difluorobenzodiathiazole moiety with difluorobenzene (FBz). Inverted BHJ devices employing PTB7-Th and newly synthesized DFBz-RC2 acceptors exhibited higher PCEs relative to that of PTB7-Th:DFD-RC2 devices. Furthermore, these new non-fullerene acceptors, DFBzO-RC2 and DFBzE-RC2 are synthetically scalable and exhibited an outstanding Voc of 1.03 eV and 1.07 eV, respectively. Our investigation on the various synthesized molecules revealed the structure-to-photovoltaic properties, which can guide synthesis of new high-performance non-fullerene small molecules for the advancement in the field of organic solar cells.;현재 높은 효율을 보이는 유기태양전지는 풀러렌 물질을 기반으로 하고 있다. 그러나 풀러렌 물질을 기반으로 한 유기태양전지의 경우 여러가지 문제점을 가지고 있다. 예로 높은 합성 비용, 모폴로지 측면의 불안정성, 가시광선 영역에서의 낮은 흡광도, 그리고 에너지 레벨의 조절이 용이하지 못하다는 점을 들 수 있다. 이 논문에서 우리는 풀러렌 물질을 대체할 수 있는 새로운 small molecule인 DFDO-RC2와 DFDE-RC2를 합성하였다. 그러나 PTB7-Th:DFD-RC2 물질을 기반으로 한 소자의 경우 낮은 효율을 보였고, 그에 대한 원인으로는 DFD-RC2 분자의 높은 HOMO 에너지 레벨 때문일 것이라고 분석하였다. 따라서 HOMO 에너지 레벨을 낮추기 위하여 DFD-RC2 분자 구조에서 difluorobenzothiadiazole을 difluorobenzene 구조로 바꾸어 적용해보았다. 결과적으로 PTB7-Th:DFBz-RC2 물질을 기반으로 한 소자는 훨씬 상승된 효율 값을 나타냈다. 또한 새로 합성해낸 DFBzO-RC2 와 DFBzE-RC2 물질은 합성도 용이하며, 아주 높은 개방전압 값인 1.03 eV 와 1.07 eV를 나타냈다. 이 연구를 통하여 물질의 구조와 photovoltaic property간의 관계를 밝혀내었고, 이를 기반으로 더 높은 효율을 갖는 새로운 non-fullerene 유기태양전지 물질을 디자인 및 개발하는데 기여하고자 한다