Stretchable organic solar cells (SOSCs) have emerged as a promising alternative to conventional silicon solar cells for powering wearable electronic devices due to their lightweight, flexibility, and affordability. The development of high-performance SOSCs critically depends on the design of transparent electrodes that can efficiently conduct electricity and allow light to pass through the cell. Currently, Indium Tin Oxide (ITO) is the most widely used material for transparent electrodes in OSCs. However, ITO has drawbacks such as fragility, high cost, and limited versatility. Consequently, there is a growing interest in exploring alternative materials that can replace ITO for realizing stretchable organic solar cells. Among the alternative materials, Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) has been extensively investigated as a transparent electrode in stretchable OSC research due to its high electrical conductivity, excellent transparency, and low cost. However, the inherent mechanical instability of PEDOT:PSS limits its application as a stretchable solar cell, which is essential for various wearable and stretchable electronic devices. This paper aims to develop a transparent electrode based on PEDOT:PSS that can maintain high electrical conductivity and excellent transparency under mechanical deformation. In Chapter 1, an introduction is provided on the basic principles of organic solar cells, the classification of stretchable organic solar cells, and the previous research on improving the mechanical and electrical properties of PEDOT:PSS for its application as a stretchable transparent electrode. Chapter 2 presents a study focused on addressing the issue of conductivity reduction caused by excessive aggregation due to the commonly used cross-linking agent 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane (GOPS) in order to enhance the mechanical properties of PEDOT:PSS. This research achieves improved conductivity and stretchability in organic solar cells by controlling the number of alkoxysilane functional groups and introducing flexible molecules to reduce the aggregation of silane. In Chapter 3, a method utilizing acid treatment is explained to enhance the optical and electrical properties of PEDOT:PSS electrodes. By forming a diffusion interface between the mechanically weak acid-treated PEDOT:PSS electrode and the TPU substrate, an electrode with improved adhesion and stretchability is developed. This resulted in the successful development of highly efficient (PCE: ~13%) and stretchable ($PCE_{80%}$ = 34%) organic solar cells. The successful development of high-performance PEDOT:PSS-based transparent electrodes for stretchable OSCs not only enhances the performance and reliability of OSCs but also enables the development of various wearable and stretchable electronic components. This research is expected to contribute to the advancement of flexible and stretchable electronic devices and the realization of sustainable and clean energy production.
신축성 유기 태양 전지(SOSC)은 기존의 실리콘 태양 전지와 비교하여 가볍고 유연하며 저렴한 특성을 갖추어 웨어러블 전자 장비의 전력 공급 장치로서 매우 유망한 대안이다. 특히, 고성능 신축성 유기 태양 전지의 개발을 위해서는 전기를 전도하고 빛이 셀을 통과할 수 있도록 하는 투명 전극의 역할이 매우 중요하다. 현재 Indium Tin Oxide (ITO)가 OSC의 투명 전극 소재로 가장 널리 사용되지만, 깨지기 쉽고 비싸며 신축성이 없어 활용도가 제한적인 단점이 있다. 따라서 ITO를 대체할 수 있는 AgNW, metal grid, CNT 그리고 전도성 고분자 등 다양한 대체 물질에 대한 연구가 최근 많은 관심을 받고 있다. 그 중에서도 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)는 높은 전기 전도성, 우수한 투명성, 낮은 비용으로 인해 신축성 유기 태양 전지 연구에서 많이 사용되고 있다. 그러나 PEDOT:PSS 자체의 기계적인 안정성은 다양한 웨어러블 및 플렉서블 전자 장치에 필요한 신축성 유기 태양 전지의 적용에 아직 부족하다. 이 논문에서는 신축성 OSC에서 기계적 변형에 대응하면서도 높은 전기 전도도와 우수한 투명도를 유지할 수 있는 PEDOT:PSS 기반의 투명 전극을 개발하는 것을 목표로 하였다. Chapter 1에서는 유기 태양전지의 기본 원리, 신축성 유기태양전지의 분류 및 신축성 투명전극으로 PEDOT:PSS를 사용하기위해 기계적 특성 및 전기적 특성을 향상시킨 기존 연구내용을 소개한다. Chapter 2에서는, PEDOT:PSS의 기계적 특성을 향상시키기 위해 주로 사용되는 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane (GOPS) 가교제의 과도한 응집에 의한 전도도와 신축성 개선이 제한되는 문제점을 개선한 연구에 대해 소개한다. 해당 연구에서는 silane의 응집을 줄이기 위해 alkoxysilane 작용기 수 조절과 연성분자 도입 전략을 적용하여 전도도와 신축성이 향상된 전극을 개발하였고, 이를 이용하여 효율과 기계적 특성이 증가된 유기태양전지를 구현하였다. Chapter 3에서는 산처리를 통해 광학적, 전기적 특성이 크게 향상된 PEDOT:PSS 전극을 활용한 연구에 대해 소개한다. 해당 연구에서는 산처리된 PEDOT:PSS 전극과 TPU기판의 접착력을 향상시키기 위해 상호확산된 계면을 형성하였고 이를 바탕으로 전도도와 신축성이 향상된 PEDOT:PSS 전극을 개발하였다. 이를 통해 높은 광전변환효율 (PCE:~13%)과 신축성($PCE_{80%}$ = 34%)이 우수한 신축성 유기태양전지를 개발하였다. 고성능 PEDOT:PSS 기반 신축성 OSC용 투명전극의 성공적인 개발은 OSC의 성능과 신뢰성을 향상시킬 뿐만 아니라 다양한 웨어러블 및 플렉서블 전자소자의 개발을 가능하게 할 것이다. 따라서 본 연구가 유연하고 신축성 있는 전자기기의 발전과 지속가능하고 청정한 에너지 생산의 실현에 도움이 되기를 기대한다.
