As the market size of the wearable electronics rapidly expands, the demand for wearable power generators is increasing. Organic solar cells (OSCs) have been spotlighted as next generation wearable power generators due to their lightweight and flexibility. Although flexible OSCs (f-OSCs) have been developed by many research groups and exhibited excellent durability against bending, most of the f-OSCs are not suitable for wearable applications considering the large tensile strain required for the human body movements. In this regard, intrinsically stretchable OSCs (IS-OSCs), in which all the consisting layers are stretchable, have been recently developed. However, power conversion efficiency (PCE) and mechanical robustness of the reported IS-OSCs fall shorts of the requirements for the commercialization levels. Therefore, development of efficient and durable IS-OSCs is highly demanded to realize wearable applications of the OSCs.
Both PCE and stretchability of the entire IS-OSCs are mainly governed by properties of active layers which generate electricity from the sunlight. The active layers of the OSCs consist of two different materials; electron donor and acceptor. As most of the donor and acceptor materials have dissimilar molecular structures, they often produce phase separated blend morphology due to unfavorable molecular interactions at their interfaces. The phase separated blend morphology produces narrow and weak interfaces between the donor and acceptor domains, which result in low photovoltaic and mechanical properties of the resulting OSCs. Besides, most efficient conjugated polymers (CPs) have been designed to have rigid molecular structures to ensure high electrical properties. However, the rigid backbones of the CPs generally facilitate to form hard and large crystallites, which significantly deteriorate stretchability of the IS-OSCs. Therefore, 1) producing well-mixed blend morphology by enhancing miscibility between donor and acceptor materials and 2) suppressing the formation of excessive crystallites by alleviating backbone rigidity of the CPs are important to realize highly efficient and stretchable IS-OSCs.
In this context, we suggest a series of molecular design strategies for conjugated polymers, which include 1) improvement of blend miscibility by controlling interfacial interactions of donor and acceptor materials, 2) alleviation of excessive backbone rigidity of the CPs by incorporation of flexible spacers in the CP backbones, and 3) development of ultra-stretchable CPs by incorporation of hydrogen bonding spacers capable of reversible formation of the dynamic bonding. Consequently, we aim to resolve the abovementioned challenges by realizing highly efficient and stretchable IS-OSCs. It is hoped that the above series of studies can serve as important guidelines for the design of conjugated polymers for highly efficient and durable IS-OSCs.
다양한 형태의 웨어러블 전자기기 등장 및 시장 규모의 확대로 인해, 웨어러블 전력 공급원에 대한 수요가 급증하고 있다. 유기 태양전지는 가볍고 휘어질 수 있다는 특성 때문에 웨어러블 전자기기를 위한 차세대 전력 공급원으로 주목 받아왔다. 하지만, 기기를 실제로 인체에 부착 및 착용하여 구동할 때는 다양한 신체 부위의 움직임에 의해 기기에 인장 응력이 작용하기 때문에, 단순한 휘어짐을 넘어서 늘어날 수 있는 유기 태양전지를 개발하는 일이 중요하다. 하지만, 현 수준의 스트레처블 유기 태양전지는 매우 낮은 광전변환효율 및 기계적 내구성을 갖기 때문에 웨어러블 기기 상용화를 위해 요구되는 성능 및 신축 수준에 크게 미치지 못한다. 때문에, 높은 광전변환효율을 가지며 자유롭게 늘어날 수 있는 발전된 형태의 스트레처블 유기 태양전지 개발이 시급하다.
스트레처블 유기 태양전지의 광전변환효율 및 기계적 내구도는 빛으로부터 전류를 생산하는 광활성층에 의해 주로 좌우된다. 광활성층은 전자 주개 및 전자 받개 두 가지 물질로 이루어 지는데, 대부분의 전자 주개 및 전자 받개 물질은 서로 상이한 화학 구조를 가지기 때문에 광활성층 내에서 서로 잘 섞이지 못하고 쉽게 상분리된 모폴로지를 만들어낸다. 이렇게 상분리된 형태의 모폴로지는 좁고 약한 전자 주개-전자 받개 영역 간 계면을 형성하여 낮은 태양전지 성능 및 기계적 내구성의 원인이 된다. 한편, 현재까지 개발된 대부분의 고성능 전도성 고분자 물질들은 높은 전하이동도를 위해 단단하고 경직된 분자 구조를 갖게끔 설계되어 왔다. 하지만, 상기의 분자구조를 가지는 전도성 고분자의 경우 매우 단단한 결정 영역을 형성하여 광활성층의 심한 기계적 취성을 유발하기 때문에, 스트레처블 유기 태양전지 신축성을 크게 저하시킨다. 때문에, 고성능 및 고신축성을 모두 갖춘 스트레처블 유기 태양전지를 개발하기 위해서는 1) 전자 주개-전자 받개 간 혼화성을 개선하여 두 물질이 잘 섞여있는 광활성층 모폴로지를 구현하는 일, 그리고 2) 전도성 고분자의 과한 경직도를 완화하여 과도한 결정 영역 형성을 억제하는 일이 매우 중요하다.
이에 본 연구에서는 1) 전자 받개-전자 주개 계면 제어를 통한 광활성층 혼화성 개선, 2) 유연 주쇄 도입을 통한 전도성 고분자 경직도 완화, 3) 가역적인 수소 결합이 가능한 초고신축 고분자 개발을 포함하는 일련의 전도성 고분자 개발 전략을 제시한다. 이를 통해, 높은 광전변환효율과 소자 신축성을 동시에 가지는 완전 신축형 유기 태양전지를 개발함으로써 상기 문제를 해결하고자 하였다. 본 연구가 고성능 차세대 웨어러블 전력 공급원 개발을 위한 전도성 고분자 설계를 위해 중요한 단서를 제공할 수 있기를 기대한다.
