Fullerene-Based Triads with Controlled Alkyl Spacer Length as Photoactive Materials for Single-Component Organic Solar Cells
초록
벤조다이싸이오펜-로다닌(BDTRh) 코어와 [6,6]-페닐-C61 뷰티르산(PC61BA) 말단을 기반으로 하는 아령 모양의 받개-주개-받개(A-D-A)형 삼중체(triad) 단일 성분(SC) 광전지 분자 두 종류, BDTRh-C2-PC61BA와 BDTRh-C10-PC61BA를 알킬(C2 및 C10) 스페이서 길이를 조절하여 합성하였다. 두 SC 광전지 구조는 용액에서 유사한 자외선-가시광선 스펙트럼을 보였으나, 박막 상태에서는 BDTRh-C10-PC61BA가 현저히 높은 흡수 계수를 나타냈다. 광대역 과도 흡수 측정에서 박막의 BDTRh-C10-PC61BA는 분자 간 광유도 전하 이동이 더 수월하게 일어났다. 또한 BDTRh-C10-PC61BA는 BDTRh-C2-PC61BA보다 높은 정공 이동도(25배)와 더 적은 이분자 재결합을 보였다. 정규화된 외부 양자 효율 데이터를 도시한 결과, BDTRh-C10-PC61BA에서 더 높은 전하 이동 상태가 측정되어 전압 손실이 줄어들었다. BDTRh-C10-PC61BA는 약 2%의 더 높은 전력 변환 효율을 얻었으며, BDTRh-C2-PC61BA 소자보다 높은 개방 전압, 단락 전류 밀도, 충전율(fill factor)을 보였다. 스페이서 길이에 따른 서로 다른 전하 운반자 동역학, 전압 손실, 광학적·광전기적 특성은 박막 형태(morphology)의 관점에서 해석되었다. BDTRh-C10-PC61BA의 더 긴 데실 스페이서는 BDTRh-C2-PC61BA에 비해 p형 코어의 분자 간 정렬을 크게 향상시켰으며, 이는 알킬 스페이서 길이가 분자 간 패킹 상호작용을 제어하는 데 결정적 역할을 함을 시사한다.
Original abstract (English)
Two kinds of dumbbell-shaped acceptor-donor-acceptor (A-D-A)-type triad single-component (SC) photovoltaic molecules based on a benzodithiophene-rhodanine (BDTRh) core and [6,6]-phenyl-C61 butyric acid (PC61BA) termini, BDTRh-C2-PC61BA and BDTRh-C10-PC61BA, were synthesized by modulating the alkyl (C2 and C10) spacer lengths. Both SC photovoltaic structures had similar UV-vis spectra in solution, but BDTRh-C10-PC61BA showed a significantly higher absorption coefficient as a thin film. In films, a more facile intermolecular photo-induced charge transfer was observed for BDTRh-C10-PC61BA in the broad-band transient absorption measurements. BDTRh-C10-PC61BA also exhibited a higher hole mobility (by 25 times) and less bimolecular recombination than BDTRh-C2-PC61BA. By plotting the normalized external quantum efficiency data, a higher charge-transfer state was measured for BDTRh-C10-PC61BA, reducing its voltage loss. A higher power conversion efficiency of ~2% was obtained for BDTRh-C10-PC61BA, showing higher open-circuit voltage, short-circuit current density, and fill factor than those of BDTRh-C2-PC61BA devices. The different carrier dynamics, voltage loss, and optical and photoelectrical characteristics depending on the spacer length were interpreted in terms of the film morphology. The longer decyl spacer in BDTRh-C10-PC61BA afforded a significantly enhanced intermolecular ordering of the p-type core compared to BDTRh-C2-PC61BA, suggesting that the alkyl spacer length plays a critical role in controlling the intermolecular packing interaction.