We developed rod-shaped non-fullerene small molecule (NFSM) acceptors, T-BT-T-ORH, T-1FBT-T-ORH, and T-2FBT-T-ORH, designed for blending with polymer donors for use as the active layer in polymer solar cells (PSCs). These NFSMs feature a simple thiophene–BT–thiophene (T-BT-T) core end-capped with octyl-substituted rhodanines (RHs), and their properties were systematically tuned by introducing 0, 1, or 2 fluorine atoms into the benzo[1,2,5]thiadiazole (BT) units. Such systematic fluorination of the BT unit enables the controlled modulation of the electron-withdrawing strength, establishing a clear framework to correlate structural changes with energy-level alignment, aggregation behavior, and device performance. The fluorinated molecules exhibited enhanced molecular crystallinity and stabilized frontier orbital levels, whereas the non-fluorinated T-BT-T-ORH showed superior solubility and film morphology, leading to higher device efficiency. All three NFSMs functioned as acceptors in polymer solar cells (PSCs) with a poly[4,8-bis[5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl]benzo[1,2-b:4,5-b']-dithiophene-2,6-diyl-alt-3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]-thieno[3,4-b]thiophene-4,6-diyl] (PTB7-Th) polymer donor, and their performance was strongly influenced by the extent of fluorination. These findings revealed both the opportunities and limitations of fluorination in NFSM design, demonstrating the importance of precise substitution strategies for achieving balanced electronic properties and favorable film morphologies in high-performance PSCs.

우리는 고분자 도너와 혼합하여 고분자 태양전지의 활성층으로 활용하기 위해, 막대 모양의 비풀러렌 단분자 어셉터 시리즈인 T-BT-T-ORH, T-1FBT-T-ORH, T-2FBT-T-ORH를 개발하였다. 이들 비풀러렌 단분자 어셉터들은 간단한 티오펜–벤조[1,2,5]티아디아졸(BT)–티오펜(T-BT-T) 중심 구조에 옥틸 치환 로다닌을 말단기로 도입한 형태를 가지며, BT 그룹에 0, 1, 또는 2개의 플루오린 원자를 도입함으로써 그 특성을 체계적으로 조절하였다. 이러한 플루오린화 전략은 전자 끌림 강도를 정밀하게 제어할 수 있게 하였으며, 구조 변화와 에너지 준위 정렬, 응집 거동, 그리고 소자 성능 간의 상관관계를 명확히 규명할 수 있는 틀을 마련하였다. 플루오린화된 분자들은 향상된 분자 결정성과 안정화된 경계 궤도 준위를 나타낸 반면, 비플루오린화된 T-BT-T-ORH는 우수한 용해도와 박막 모포로지를 보여 더 높은 소자 효율을 달성하였다. 세 NFSM 모두 poly[4,8-bis[5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl]benzo[1,2-b:4,5-b']-dithiophene-2,6-diyl-alt-3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]-thieno[3,4-b]thiophene-4,6-diyl] (PTB7-Th) 고분자 도너와 함께 고분자 태양전지의 어셉터로 사용되었으며, 플루오린화 정도에 따라 성능이 달라졌다. 본 연구는 비풀러렌 단분자 어셉터 설계에서 플루오린화의 가능성과 한계를 동시에 보여주며, 고성능 고분자 태양전지 구현에 필요한 균형 잡힌 전자적 특성과 바람직한 박막 형태를 달성하기 위해 정밀한 치환 전략이 중요함을 보여준다.

Keywords: benzo[1,2,5]thiadiazole, fluorination, polymer solar cell, acceptor