Organic solar cells (OSCs) are attracting significant interests of the researchers owing to their numerous advantages. Based on flexibility, lightweight, eco-friendliness, solution processed large-scale production, it is considered as a promising platform for power sources of next generation wearable/portable electronic devices. Development of conjugated organic materials for better performance and long-term stability of the device is the most important task to improve the commercial viability of the OSCs. Recently, two classes of OSCs i.e. all-polymer solar cells (all-PSCs) and non-fullerene small molecule acceptor (NFSMA)-PSCs are the rising stars replacing PCBM acceptors that suffered from weak light absorption and mechanical robustness and the power conversion efficiency (PCE) has increased to 20%. More comprehensive understanding of the two effective systems in terms of the relationship between the chemical structure of the active materials and the device performance is required.
Since the active layer of OSCs is constructed by formation of bulk heterojunction (BHJ) of donor and acceptor materials, the blend morphology plays a critical role in determining the device performance. Formation of optimal blend morphology is associated with very complicated aspects including adequate domain size, purity, donor/acceptor interface, and molecular orientation, and etc. During the polymer blend mixing and film formation process, thermodynamics and kinetics interplay simultaneously and thus it is the most important to carefully design photoactive materials to control both of them.
In this dissertation, control of two essential properties, i.e., aggregation and crystallinity, of polymer donor and NFSMA by chemical modification and their impacts on blend morphologies and device performance are demonstrated. Side-chain engineering strategy is adopted to the alternating copolymer based on thienothiophene benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene (BDT) and thienothiophene π-bridged N-alkylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione (ttTPD) repeating units, and the synthesized polymer donors are utilized for all-PSCs and NFSMA-PSCs to investigate different responses depending on the system. It is observed that the polymer aggregation property play a more decisive role in all-PSCs because the long chains of polymer materials seriously limit the entropic contribution of mixing process. On the other hand, optimizing crystallinity and hole mobility of polymer donors are critical in improving NFMSA-PSC performance. The photovoltaic performance given by novel polymer donors are the highest level among TPD-based polymer donors and is competitive even in light of the state-of-the-art research trends. Lastly, we developed a series of Y acceptors by incorporation of 2D outer side chains, in order to control the molecular rigidity and enhance processability in non-halogenated solvents.
유기태양전지는 여러 고유의 장점 때문에 전자소자분야 연구자들의 큰 관심을 받고 있는 에너지 생산 플랫폼으로, 특히 유연성, 경량성, 친환경성 등의 특성과 용매 기반 대면적 공정이 가능하다는 강점 등을 기반으로 차세대 웨어러블/포터블 전자소자에 적용이 기대되고 있다. 현 시점에서 유기태양전지의 상용화를 위해서는 광활성 소재로 사용되는 유기반도체 소재의 성능 및 장기 안정성을 확보하는 것이 필수적이다. 최근 연구 추세는 취약한 광 흡수 능력과 기계적 안정성을 가지는 PCBM 억셉터에서 벗어나 고분자 억셉터를 사용하는 전고분자 태양전지 및 비풀러렌 단분자 억셉터를 사용하는 단분자-고분자 태양전지의 두 시스템이 주목을 받고 있으며, 가파른 효율 상승으로 20%에 달하는 광전 변환 효율까지 보고된 바 있다.
유기태양전지 광 활성층은 도너와 억셉터 물질의 이종 접합 블렌드로 이루어져 있기 때문에 해당 층의 블렌드 모폴로지가 전체 소자 성능에 결정적인 역할을 한다. 이상적인 블렌드 모폴로지를 달성하는 데에는 적절한 도메인 크기 및 순도, 도너/억셉터 계면, 그리고 분자 배열 등이 필요하다. 고분자 블렌드가 섞이는 과정과 이를 용매 공정을 통해 박막으로 형성하는 과정에서 매우 복잡한 열역학과 동역학이 모두 관여하는 것을 고려할 때, 두 가지 측면을 모두 최적화할 수 있는 광활성 재료를 주의 깊게 설계하는 것이 중요하다.
본 학위논문은 화학 구조 변형을 통해 광활성 재료로 사용되는 고분자 도너 및 단분자 억셉터의 응집 및 결정 특성을 조절하는 방법과 이렇게 조절된 특성들이 활성층 모폴로지와 소자 성능에 어떤 영향을 미치는지를 정리한다. 먼저, 고분자 도너의 곁사슬을 변형하여 응집 및 결정 특성을 변화시켰고, 전고분자 및 단분자-고분자 태양전지에 적용함으로써 두 시스템에서 각각 고분자 도너의 응집 특성이 어떤 영향을 미치는지 알아보았다. 특히 전고분자 시스템의 블렌드 모폴로지가 고분자 도너의 응집 특성 변화에 민감하게 반응하는 것을 알 수 있었고, 그 이유는 블렌드의 섞임을 주도하는 엔트로피가 양 재료의 중합도가 높은 전고분자 시스템에서 매우 제한적이기 때문이다. 이어지는 챕터는 단분자-고분자 태양전지의 성능 변화에 있어 고분자 도너의 결정 특성과 정공 이동도가 미치는 영향에 대한 연구를 다루며, 높은 결정성을 가지는 고분자 도너의 긍정적인 효과에 대해 분석한다. 마지막 챕터에서는 Y 단분자의 곁사슬 변형을 통해 분자 평면도 및 응집도를 조절하고 비할로겐 용매에 대한 공정성을 확보하는 연구를 보고한다.
