The molecular design strategy of alternating electron donor and acceptor units is widely used to develop polymer donors for organic solar cells (OSCs), enabling tuning of absorption spectra and frontier molecular orbital energies. To enhance the efficiency and stability of OSCs, researchers have created new materials with novel donor and acceptor units. In this study, pyrido[2,3-g]quinoline-2,7(1H,6H)-dione (PQD) was introduced as a new polycyclic lactam building block. The synthesized polymers, PPQD-BDT and PPQDT-BDT, exhibited broad absorption from 300 to 700 nm and a wide bandgap of 1.93 and 1.85 eV, respectively. OSC devices were fabricated using these polymers as donors blended with a non-fullerene acceptor (ITIC). The maximum power conversion efficiency (PCE) of PPQDT-BDT was 2.86% due to better molecular orientation in the film state, whereas PPQD-BDT exhibited a lower PCE of 1.34%. Moreover, OSC devices based on PPQDT-BDT blended with Y6 as a non-fullerene acceptor showed a PCE of 4.52%.

본 연구에서는 새로운 다환 락탐 구조를 가지는 pyrido[2,3-g]quinoline-2,7(1H,6H)-dione(PQD)를 설계 합성하였고 이를 benzodithiophene(BDT) 유도체와 중합하여 두 종의 새로운 반도체성 고분자인 PPQD-BDT와 PPQDT-BDT를 Stille 중합을 통하여 합성하였다. 락탐 고리는 약하게 전자를 당기는 특징을 가지고 있어 BDT 유도체와 같은 도너와 중합할 경우 밴드 갭이 비교적 큰 반도체 고분자를 합성할 수 있다. 최근에 개발된 유기태양전지용 억셉터 재료들은 장파장 영역에 흡수를 가지고 있어 도너 고분자는 상대적으로 단파장 영역에서 흡수할 수 있는 밴드 갭이 큰 고분자가 광활성 층으로 유리하다. 합성된 PPQD-BDT와 PPQDT-BDT는 밴드 갭이 각각 1.93과 1.85 eV 였다. 유기태양전지 능력을 평가하기 위해 ITIC와 Y6를 억셉터로 사용한 유기태양전지를 제작하였으며 PPQDT-BDT의 경우 Y6와 함께 광활성 층으로 사용하였을 때 최대 전력변환효율 4.52%의 광전변환 효율을 보였다. 본 연구에서 합성된 PQD 단량체는 BDT 이외의 다양한 공단량체들과 공중합이 가능하여 구조의 최적화를 통하여 유기태양전지, 유기트랜지스터, 유기광검출기 등의 전자 소자에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Keywords: organic solar cell, polycyclic building block, lactam, polymer donor.