The organic solar cells (OSCs) have received great attention as renewable energy conversion devices owing to the solution processability, low-cost and light weight. Recently, the development of non-fullerene small molecule acceptors (NFSMAs) have improved power conversion efficiencies (PCEs) up to 18%. However, most high-performing polymer donors (P$_D$) feature complicated molecular structure and thus, it requires multi-synthetic steps and low yield impeding the roll-to-roll process for the large arear of OSCs. Furthermore, since the cross-coupling mechanism for high-performing P$_D$s is a step-wise poly condensation, it possesses difficulty to control the molecular weight and poly diversity index (PDI) resulting in unreliable OSC devices. In this respect, the poly(3-hexylthiophene) (P3HT) is one of the commercially viable P$_D$. Compared to traditional P$_D$, the P3HT prepared by chain-growth polymerization easily modulates the molecular weight and controls batch-to-batch variation. And also, the development of NFSMAs to be paired with P3HT have significantly enhanced PCE of P3HT based OSC up to 9%. Despite of successful enhancement in PCE, a designing NFSMA realizing high-performances and thermal stability have been considered as challenging issues.Especially, the NFSMAs have limited to possess high performances and thermal stability in the P3HT blend system. For example, non-oriented crystallites of the NFSMAs easily undergo re-oriented and re-crystallization under thermal stress due to their low low-glass transition temperatures (T$_g$s), resulting in degradation of OSC performances. Whereas, the fullerene-based acceptors easily secure the micro crystal structure by post-thermal treatment possessing high-electrical properties, the weak pi-pi interactions of NFSMA backbones lead difficulty to secure crystallinity in the P3HT blend. Accordingly, we designed and synthesized non-covalently fused ring acceptors for realizing efficient and thermally stable P3HT-based OSCs. In these contributions, we believe these works will provide important evidence the for commercialization of OSCs and the development of NFSMAs.
유기태양전지의 경우 용액공정, 저렴한 비용, 가벼운 무게로의 제작이 가능하여 재생 에너지 변환장치로서 큰 관심을 받고 있다. 특히 최근 비-풀러렌 기반의 단분자 수용체가 개발됨에 따라 광기전 효율 18% 이상을 보고하고 있다. 하지만 이와 함께 사용하는 대부분의 고분자 전자 공여체의 경우 매우 복잡한 화학구조를 지니게 된다. 이러한 복잡한 구조는 고분자 를 합성하는데 많은 합성 단계를 요구할 뿐만 아니라 그 수율 또한 저조하게 되어 최종 상용화를 위한 roll-to-roll 공정 및 대면적화에 큰 문제가 된다. 또한 고분자 전자 공여체의 대표적인 중합 반응인 교차 결합을 통한 중합은 순차적으로 진행되는 중합 메커니즘을 갖는다. 이는 분자량 및 분자량 분포 조절이 합성적으로 어렵기 때문에, 소자 재현성에 큰 영향을 끼치게 된다. 이러한 관점에서 보았을 때, 폴리(3-헥실티티오펜) 고분자의 경우 큰 이점을 지닌다. 다른 고분자 전자 공여체와 달리 사슬 성장 중합 메커니즘에 따라 분자량 조절이 가능하며 고분자 배치간 변이를 크게 조절할 수 있게 된다. 또한. 최근에는 폴리(3-헥실티오벤)과 잘 작동할 수 있는 비-풀러렌 기반의 단분자 수용체의 개발로 광기전 효율이 9%이상 상승할 수 있었다. 하지만 그럼에도 불구하고 높은 효율과 동시에 높은 열안정성을 가질 수 있는 폴리(3-헥실티오펜) 기반의 유기태양전지를 위한 비-풀러렌 기반의 단분자 수용체 개발을 미비한 상황이며 상용화 관점에서 반드시 해결되어야 할 문제이다.특히, 비-풀러렌 기반의 단분자 수용체의 경우 폴리(3-헥실티오펜)의 고분자내에서 효율적이며 높은 열안정성을 지니는데 큰 한계를 지닌다. 단분자 수용체의 경우 낮은 유리 전이온도를 지니기 때문에 용액공정상에서 정렬되지 못한 여분에 결정질이 작은 열에너지에도 재결정화 및 재정렬이 일어나게 되며 이에 따라 태양전지의 효율이 급격히 감소함을 보인다. 또한 기존 풀러렌 기반의 수용체의 경우 간단한 열처리를 통해 확보되는 마이크로 구조를 통해 폴리 (3-헥실티오펜)과의 혼합에도 높은 전기적 특성을 확보할 수 있는 반면에, 비-풀러렌 계의 단분자 수용체의 경우 오직 주쇄의 존재하는 약한 파이-파이 결합으로 인해 결정성확보가 매우 어렵다. 이에 따라, 이차 결합을 활용하여 접합고리 거동을 보이는 비-풀러렌 기반의 단분자 수용체를 설계 및 합성하여 높은 결정성과 높은 열안정성을 보이는 연구를 진행하였다. 이에 따라, 본 연구가 유기 태양전지의 상용화 및 높은 열 안정성과 동시에 높은 효율을 보일 수 있는 비-풀러렌 기반의 단분자 수용체 개발을 위해 중요한 단서를 제공할 수 있기를 기대한다.
