The polymer donor and small molecule acceptor are key components for achieving high power conversion efficiency in organic solar cells. Small molecules have the advantage of forming well-defined crystalline structures within the active layer, leading to improved electrical properties. However, such structures can often compromise the mechanical properties of the active layer. Therefore, it is crucial to explore electrically active polymer electron acceptors that exhibit excellent flexibility and durability, to simultaneously enhance the photovoltaic efficiency and mechanical properties of organic solar cells. In this study, we introduced a novel polymer electron acceptor, P(NDI2OD-TCVT), based on naphthalene diimide (NDI). By incorporating a cyano unit into the polymer backbone, we were able to mitigate the excessive crystalline properties and enhance the amorphous characteristics of the material. This, in turn, facilitated the formation of entangled molecules and interconnected networks within the active layer. As a result, the electrical properties of the organic solar cells were significantly improved, achieving a remarkable power conversion efficiency (PCE) of 16.8%. Moreover, we demonstrated the feasibility of flexible polymer solar cells (IS-PSCs) with enhanced mechanical properties. IS-PSCs incorporating 10 wt% of P(NDI2OD-TCVT) achieved a PCE of 12.55% and retained 80% of the initial photovoltaic efficiency even after undergoing 100 cycles of 20% deformation, showcasing their excellent mechanical durability.
고분자 전자 주개와 단분자 전자 받개 기반의 유기태양전지 광활성층은 굉장히 높은 광전변환효율을 달성할 수 있는 구성요소이다. 단분자는 광활성층 내에서 결정 구조를 형성하기 용이해 전기적 성질이 향상될 수 있으나 이러한 구조가 광활성층의 기계적 성질을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서 유기태양전지의 광전변환효율과 기계적 성질을 동시에 향상시키기 위해 우수한 연성과 내구성을 갖는 전기 활성 고분자 전자 받개의 연구가 매우 중요하다. 본 연구에서는 나프탈렌 다이이미드(NDI)를 기반으로한 새로운 고분자 전자 받개인 P(NDI2OD-TCVT)를 도입하였다. 사이아노 유닛을 도입함으로써 과도한 결정적 특성을 완화시켜 비정질 특성을 향상시키며, 광활성층에서의 매듭 분자 및 엉킴 네트워크 형성을 촉진하였다. 이로 인해 유기태양전지의 전기적 특성을 향상시켰으며, 높은 전력 변환 효율(PCE) 16.8%을 달성하였다. 또한 기계적 특성이 향상된 신축성 고분자 태양전지(IS-PSCs)의 실현 가능성도 보여주었다. 10 wt%의 P(NDI2OD-TCVT)를 함유하는 IS-PSCs는 PCE 12.55%를 달성하였으며, 20% 변형에서 100회 주기 후 초기 광전변환효율의 80%를 보존하여 우수한 기계적 내구성을 보여주었다.
