i) C$_{70}$-based aqueous-soluble fullerene for the water composition-tolerant performance of eco-friendly polymer solar cells — Eco-friendly polymer solar cells (eco-PSCs) based on aqueous-soluble conjugated materials have recently received great research attention. In this work, we report the development of an aqueousprocessable C$_{70}$-based fullerene derivative (PC$_{71}$BO$_{15}$) for eco-PSCs processed by water/ethanol co-solvents. The desirable aggregation behavior and enhanced light absorption ability of PC$_{71}$BO$_{15}$ have enabled the fabrication of PPDT2FBT-A:PC$_{71}$BO$_{15}$-based eco-PSCs with power conversion efficiencies (PCEs) of up to 2.51%, which is the highest value reported to date for aqueous-processed PSCs. These PPDT2FBT-A:PC$_{71}$BO$_{15}$ eco-PSCs exhibit significantly higher PCEs than those of the reference PPDT2FBT-A:PC$_{61}$BO$_{15}$ devices over all device-processable water/ethanol compositions. At the optimal water/ethanol composition (v/v = 15 : 85), the PCE of the PPDT2FBT-A:PC$_{71}$BO$_{15}$ eco-PSCs is 73% higher than that of the PC$_{61}$BO$_{15}$-based counterparts, as a result of enhanced light absorption. Importantly, the PC$_{71}$BO$_{15}$-based eco-PSCs show much higher tolerance in their PCEs to the water/ethanol composition. For example, the PCEs of the PPDT2FBT-A : PC$_{71}$BO$_{15}$ eco-PSCs at a 30 : 70 water/ethanol ratio maintain 89% of the optimal performance at a 15 : 85 ratio, whereas the PC61BO15-based devices only maintain 45%. This large difference in terms of water-tolerant behavior is mainly related to the different aggregation behaviors between PC$_{71}$BO$_{15}$ and PC$_{61}$BO$_{15}$ in blend films, which are carefully investigated using electrical, optical and morphological characterizations. This high water composition-tolerance affords an excellent reproducibility of the PC$_{71}$BO$_{15}$-based eco-PSCs with eco/human-friendly aqueous processing under ambient conditions.ii) Green solvent-processed, high-performance organic solar cells achieved by outer side-chain selection of selenophene-incorporated Y-series acceptors — While the power conversion efficiencies (PCEs) of organic solar cells (OSCs) have been dramatically increased through the development of small molecular acceptors (SMAs), achieving eco-friendly solution processability of OSCs is a crucial prerequisite for their practical application. In this study, we develop three new, green solvent-processable SMAs (YSe–C3, YSe–C6, and YSe–C9) with different outer sidechains (n-propyl (C3), n-hexyl (C6), and n-nonyl (C9)), affording high-performance OSCs with nonhalogenated solvent (o-xylene)-processed active layers. Also, the impact of both outer and inner sidechain engineering of these SMAs on the performance of eco-friendly fabricated OSCs is systematically investigated. The outer side-chain structure has a much more significant impact than the inner sidechain. For example, the PM6:YSe–C6 blend affords high-performance OSCs with a power conversion efficiency (PCE) of over 16%, whereas the PCEs of the YSe–C3- and YSe–C9-based OSCs are only 11–14%. The lower PCEs of PM6:YSe–C3 and C9 are mainly attributed to reduced electron mobility and increased charge recombination, resulting from aggregate-containing non-optimal blend morphologies. Interestingly, the well-optimized morphology of the YSe–C6-based blend also affords OSC devices with active layer thickness-independent PCEs, up to a thickness of >400 nm, demonstrating the great potential for large-area device manufacturing via an eco-friendly printing process. Thus, optimizing the outer side-chain structure of Y-series SMAs is essential for producing green solvent-processed high performance OSCs.iii) Impact of Spacer Tuning in Oligoethyleneglycol-Based Y-Series Guest Acceptors on Green Solvent-Processed, High-Performance Ternary Organic Solar Cells — For the realization of green-solvent processable, and efficient organic solar cells (OSCs), the route to improve the processability of active layer materials has been limited to side-chain length extension. However, side chain extension can decrease crystallinity and electron mobility of conjugated materials, which would negatively influence the photovoltaic performance. Herein, we introduce three new, oligoethyleneglycol (OEG)-incorporated guest SMAs (Y-4C-4O, Y-6C-4O, Y-12C-4O) with different spacer-chains (n-butyl (4C), n-hexyl (6C), and n-dodecyl (12C)). When these acceptors are blended with Y6, the aggregation of Y6 in green-solvent (o-xylene) is reduced, resulting enough solubility of mixed Y-series acceptors. Alkyl spacer chain, which connects center Y-backbone and OEG chain, has significant impact on the performance of eco-friendly fabricated OSCs. The PM6:Y6:Y-4C-4O ternary blend affords the high-performance OSCs with a power conversion efficiency (PCE) of over 17%, whereas each PCE of the Y-6C-4O and Y-12C-4O-based ternary OSCs are only ~15% and ~11%. The lower PCEs of PM6:Y-6C-4O and Y-12C-4O devices are mainly attributed to reduced electron mobility and increased charge recombination, resulting from non-optimal molecular packing and blend morphologies. Enough procesability of Y6:Y-nC-4O (n = 4, 6, or 12) mixtures resulted in PCE tolerance over a wide range of guest acceptor ratio up to ~30%. Thus, optimizing the chemical structure of OEG-incorporated Y-series guest SMAs can be the novel route toward green solvent-processed high-performance OSCs.
i) 본 연구에서는, 물/에탄올 공용매로 공정할 수 있는 친환경 유기 태양전지 개발을 위해 물과 에탄올에 녹는 C$_{70}$ 기반 풀러렌 유도체(PC$_{71}$BO$_{15}$)를 개발하였다. PC$_{71}$BO$_{15}$의 공정 용매 내에서의 응집 거동 및 기존 C$_{60}$ 대비 더욱 강화된 광 흡수 능력으로 인해 현재까지 보고된 물/에탄올 공정 기반 친환경 유기 태양전지 중 가장 높은 값인 최대 2.51%의 광전환효율을 달성할 수 있었다. 특히, PC$_{71}$BO$_{15}$ 기반 친환경 유기 태양전지가 넓은 범위의 물/에탄올 조성 비율에서 종전의 친환경 유기 태양전지보다 훨씬 더 높은 수준의 광전환효율 내성을 보였다. 공정 용매의 비율에 대한 내성 향상은 친환경적으로 공정된 유기 태양전지의 성능 재현성 향상에도 크게 기여할 수 있었다.ii) 본 연구에서 우리는 최근 각광받는 Y-series Small Molecule Acceptors (SMA)에 대해 서로 다른 외부 측쇄(C3, C6, C9)를 가지도록 소재를 설계하고, 이를 비할로겐 친환경 용매인 o-자일렌으로 광활성층을 공정하여 우수한 성능의 친환경 유기 태양전지를 제작하였다. 또한 이러한 SMA의 외부 측쇄 공정이 친환경 공정된 유기 태양전지의 성능에 미치는 영향을 체계적으로 조사하였다. PM6:YSe–C3 및 C9의 낮은 광전환효율은 주로 응집된 모폴로지를 다량포함한 최적화되지 않은 모폴로지로 인한 전자 이동도 감소 및 전하 재결합 증가에 기인하는 것으로 보인다. 흥미롭게도 YSe-C6 기반 소자는 광활성층 두께에 거의 영향받지 않았으며, 최대 두께가 400nm를 초과할 수 있을 정도로 대면적 소자 제작을 할 수 있는 큰 잠재력을 보였다. iii) 친환경 용매 공정이 가능한, 그리고 효율적인 유기 태양 전지 구현을 위해 광활성층 재료의 화학 구조를 개선하는 경로는 측쇄 길이를 확장하는 것으로 제한되었다. 그러나 측쇄 길이의 연장은 공액 물질의 결정성과 전자 이동도를 감소시킬 수 있으며 이는 유기 태양전지 성능에 부정적인 영향을 미친다. 본 연구에서는, 서로 다른 스페이서 사슬(n-부틸(4C), n-헥실 (6C), 및 n-도데실(12C)).이 들어간 올리고에틸렌글리콜 (OEG) 기반의 Y-시리즈 게스트 억셉터를 이용해, 이를 Y6와 혼합하여 친환경 용매인 o-자일렌에서 Y6의 과한 응집을 감소시키고, 혼합된 Y-시리즈 억셉터의 충분한 용해도를 달성하였다. Y 모양의 중앙 주쇄와 OEG 체인을 연결하는 스페이서 사슬은 친환경적으로 제작된 유기 태양전지의 성능에 큰 영향을 미친다. PM6:Y6:Y-4C-4O 삼성분계 혼합은 광전환효율 (PCE) 이 17% 이상인 고성능 유기 태양전지를 달성할 수 있도록 하는 반면 Y-6C-4O 및 Y-12C-4O 기반 삼성분계 기반 유기 태양전지의 광전환효율은 ~15% 및 ~11%에 불과하였다. Y-6C-4O 및 Y-12C-4O 기반 삼성분계 유기 태양전지의 더 낮은 광전환효율은 주로 전자 이동성 감소 및 전하 재결합 증가에 기인하며, 이는 최적화되지 않은 분자 패킹 및 혼합 형태로 인해 발생하는 것으로 분석되었다. Y6:Y-nC-4O(n = 4, 6 또는 12) 혼합물의 충분한 용해도는 게스트 억셉터 비율을 ~30%까지 확장하여도 충분한 광전환효율 내성을 유지하는 데에 기여할 수 있었다. 따라서, OEG 사슬 기반의 게스트 억셉터의 화학 구조를 최적화하는 것은 친환경 용매 공정이 가능한, 고성능 유기 태양전지를 향한 새로운 연구 경로가 될 수 있음을 시사하였다.
