Organic solar cells (OSCs), which have been spotlighted as the power supplier for the next-generation wearable or portable electronic devices, are fabricated based on ‘solution’ processing. Halogenated solvents are commonly used in solution processing due to their superior ability to readily dissolve a variety of conjugated polymers. However, the toxicity of halogenated solvents seriously threatens the environment and human health/safety. In addition, the enormous costs incurred during the management/disposal of these noxious solvents significantly hinder the commercialization of OSCs.
In this context, we aim to resolve those problems by developing high-performance OSCs that can be fabricated using eco-friendly non-halogenated solvents. In Chapter 1, the basic principles of OSCs as well as the definition/classification of green solvents are introduced. In particular, the molecular design strategies to simultaneously realize high efficiency and sufficient solubility are addressed. In Chapter 2, three naphthalene diimide (NDI)-based n-type polymers, P(NDIDEG-T), P(NDITEG-T), and P(NDITEG-T2), incorporating different lengths of oligo(ethylene glycol) (OEG) side chains and different backbone structures were developed to be employed as aqueous-processable polymer acceptors in the active layer of OSCs. It is highlighted that this system is the first aqueous-processable all-polymer solar cell reported to date. In addition, the OEG-based devices were found to be superior in device stability and adhesion energies to the alkyl-based counterparts. In Chapter 3, P(NDIDEG-T) and P(NDITEG-T) were used as new electron transport layers (ETLs) in OSCs. When the P(NDIDEG-T)-based ETL was applied to PM6:Y6-based OSCs, a high power conversion efficiency (PCE) of 15.43% was achieved. Notably, the P(NDIDEG-T)-based devices showed much higher reproducibility of PCEs and storage stability compared to the P(NDITEG-T)-based counterparts due to the more uniform ETL surfaces of the former. In Chapter 4, a series of D-A1-D-A2 type random terpolymers (DTTz-X, where X=10–60) was designed with structurally similar A1 and A2 accepting units. The sulfur atom of the benzothiadiazole subunit in the A1 (DTBT) unit was replaced by a nitrogen atom as in the A2 (DTTz) unit, enabling the introduction of an alkyl solubilizing group while maintaining the overall structural properties of the terpolymer system. Consequently, the DTTz-X polymers maintained good optoelectronic properties at various A1/A2 ratios, while their processability in non-halogenated solvents was significantly enhanced. Accordingly, the OSC performance of the terpolymer system showed good composition tolerance; i.e., the terpolymer system afforded OSCs with PCEs exceeding 15% (up to 16.4%) over a broad range of DTTz compositions (10–40 mol%).
It is hoped that the above series of studies can serve as important guidelines for the design of efficient and eco-friendly-solvent–processable conjugated polymers.
차세대 웨어러블 전자소자의 에너지원으로 각광받고 있는 유기 태양전지는 용액공정을 통해 제작된다. 일반적으로 용액공정에는 인체 및 환경에 매우 유해한 할로젠 기반 유기 용매가 사용된다. 유독한 할로젠 용매의 사용은 유기 전도성 소재의 박막 코팅 공정을 용이하게 해주기 때문에 오랫동안 필수불가결한 것으로 여겨져 왔다. 하지만 독성 용매의 사용으로 인해 발생하는 천문학적인 경제적 비용과 사회적 문제는 유기 태양전지의 상용화를 심각하게 저해하고 있다.
이에 본 연구에서는 친환경 비할로젠 용매를 활용한 고효율 유기 태양전지를 개발하여 상기 문제를 해결하고자 하였다. Chapter 1에서는 유기 태양전지의 작동원리, 친환경 용매의 정의 및 분류, 그리고 용해도와 유기 태양전지 성능을 동시에 올리기 위한 분자 디자인 전략에 대해 소개한다. Chapter 2에서는 친환경 물/에탄올 공용매에 용해 가능한 나프탈렌 다이이미드(NDI)계열 전도성 고분자 개발 및 이를 유기태양전지의 광활성층의 전자받개로 활용한 연구에 대해 소개한다. 해당 연구에서는 충분한 용해도 확보를 위해 친수성 올리고에틸렌글라이콜(OEG) 곁사슬을 도입하였고, 이를 통해 수용액 공정이 가능한 최초의 전-고분자 태양전지를 개발하였다. 특히, 기존 알킬 곁사슬을 갖는 대조군에 비해 월등히 높은 대기 안정성 및 소자 층간 접착력을 보임을 밝혔다. Chapter 3에서는 물/에탄올-용해성 NDI 고분자를 전자수송층으로 활용한 연구에 대해 소개한다. OEG 곁사슬이 부착된 소재의 도입을 통해 전극의 일함수가 효과적으로 조절되어 높은 광전변환효율(15.4%)이 달성될 수 있음을 최초로 확인하였다. 또한, 본 연구에서는 높은 성능 재현성 및 소자 안정성을 확보하기 위한 최적의 OEG 곁사슬 길이에 대해서도 고찰하였다. Chapter 4에서는 신규 랜덤 공중합체를 광활성층의 전자주개로 활용한 연구에 대해 소개한다. 해당 연구에서는 고성능 소재로 알려진 DTTz-0 고분자의 낮은 용해도를 극복하고자 용해성 그룹이 부착된 DTTz 유닛을 점진적으로 도입하였다. 이와 동시에, 기존 공중합체를 구성하고 있던 DTBT 유닛의 화학구조는 용해성 그룹 이외에는 모두 동일하게 유지함으로써 제3성분(DTTz 유닛)의 도입이 DTTz-0의 우수한 결정성 및 전기적 특성을 최대한 저해하지 않도록 설계하였다. 이를 통해 친환경 용매로 분류되는 톨루엔에 공정이 가능하면서도, 넓은 DTTz 함량 범위(10–40 mol%)에서 높은 광전변환효율(>15%, 최대 16.4%)을 유지하는 고성능 태양전지 시스템을 개발하였다.
위와 같은 일련의 연구가 친환경 용매에 공정이 가능하면서도 우수한 유기 태양전지 성능을 낼 수 있는 전도성 고분자 디자인에 대한 가이드라인이 될 수 있기를 기대한다.
