Synthesis of an Alternating Copolymer Derived from Thiadiazolo indolo[3,2-b]carbazole and 4,7-Bis(4-octyl-thiophene-2-yl)-2,1,3-benzothiadiazole for Polymer Solar Cells

Abstract

본 연구에서는 유기태양전지에 사용되는 thiadiazoloindolocarbazole 과 thienyl-benzothiadiazole로 이루어진 전자 주개-전자 받개의 고분자를 palladium 촉매를 사용한 Suzuki coupling에 의해 합성하였다. 이는 최근 관심 받는 indolocarbazole의 단점인 HOMO 에너지 레벨이 낮아서 전압이 작은 단점을 보완하고자 전자가 부족한 thiadiazole을 도입하여 HOMO 에너지 레벨을 낮추고 그에 따른 전압 향상 및 효율 향상에 그 목적이 있다. 합성된 고분자는 핵자기공명법과 질량분석을 통해 확인하였다. 뿐만 아니라 고분자의 광학 성질을 분석한 결과 700 nm의 영역까지 흡수하며 밴드갭이 1.77 eV를 나타내었고, 전기화학적 성질을 분석한 결과 HOMO 에너지 레벨이 5.5 eV로 상당히 낮음을 확인하였다. X-ray diffraction 분석을 통해 고분자가 결정성 구조를 가지고 있음과 고분자 간의 거리는 4.05 Å임을 확인하였다. 합성된 고분자를 널리 사용되는 PC71BM과 블렌드하여 유기태양전지 소자를 제작함으로써 그 특성을 살펴 본 결과, 효율은 2.62%, 전압은 0.84 V, 전류는 8.54 mA/cm^2, fill factor of 36% under AM 1.5 condition (100 mW/cm^2)을 나타내었다.

A alternating copolymer, Thiadiazolo indolo[3,2-b]carbazole and 4,7-Bis(4-octyl-thiophene-2-yl)-2,1,3-benzothiadiazole for polymer solar cells was synthesized. The copolymer has very low band gap and higher VOC than the corresponding copolymers with indolocarbazole derivatives, mainly due to the deep HOMO energy level. Pristine polymer have semi-crystalline structure evidenced by X-ray diffraction pattern andpi–pistacking between the polymer backbones. A blend of PICThBTand PC71BM exhibits a PCE of 2.62% an open-circuit voltage of 0.84 V, a short-circuit current density of 8.54 mA/cm^2, and a fill factor of 36% under AM 1.5 condition (100 mW/cm^2).