As the market for wearable electronic devices continues to expand rapidly, intrinsically-stretchable organic solar cells (IS-OSCs) have gained substantial attention as next-generation wearable power generators due to their ability to stretch in multiple directions. For the practical applications of IS-OSCs, it is essential to achieve both a high power conversion efficiency (PCE) and stretchability of the devices. There has been a significant increase in the PCE of rigid OSCs, owing to the recent advancement in polymer donors (PDs) and small molecule acceptors (SMAs). However, most high-performance active layers have poor tensile properties and thus do not meet the required standards for practical implementation as wearable devices on humans. The unsatisfactory mechanical properties of the active layers can be primarily attributed to the stiff backbone structures of the PDs and SMAs, which are designed to achieve high optical and electrical properties. Unfortunately, the rigid molecular structures also result in the formation of large, disconnected crystalline domains within the active layers, making them vulnerable to mechanical stress.
In this study, we have developed polymer donors, which overcome the primary hurdle to the commercialization of organic solar cells (OSCs) due to the trade-off between electrical and mechanical performance. We have successfully applied these materials to IS-OSCs, achieving world-record performance. Photovoltaic efficiency and mechanical stretchability are intimately related to molecular weight, as the charge mobility becomes saturated when the polymer chain length reaches an effective conjugation length. Moreover, beyond a critical molecular weight, polymer chains become entangled, resulting in a rapid increase in specific viscosity, which enhances stretchability. Therefore, in this research, we have overcome the typical trade-off between electrical and mechanical performance observed in conventional random copolymers or ternary blend approaches by synthesizing conjugated polymer blocks responsible for high electrical properties and electroactive polymer blocks with high stretchability. This approach has allowed us to achieve both high photovoltaic efficiency and mechanical stretchability at an exceptional level.
Keywords polymer solar cells, mechanical robustness, stretchability, intrinsically-stretchable organic solar cells, conjugated block-copolymer
웨어러블 전자소자 시장이 급속하게 확장되고 있는 가운데, 여러 방향으로 늘어날 수 있는 완전 신축형 유기태양전지가 다음 세대 착용형 전원 발생기로서 큰 주목을 받고 있다. 완전 신축형 유기태양전지의 상용화를 위해서는 소자의 높은 광전변환효율과 기계적 신축성 모두 향상시키는 것이 중요하다. 최근에는 높은 결정성을 가지는 고분자 전자주개 물질과 전자받개 물질의 개발로 광전변환효율이 크게 향상되었으나, 대부분의 고성능 고분자 광 활성층은 인장 특성이 떨어지는 단점이 있으며, 이로 인해 웨어러블 전자소자의 상용화를 위한 최소 인장 요건을 충족하지 못한다. 광 활성층의 취약한 기계적 특성은 주로 고분자 전자주개 물질과 전자받개 물질의 경직된 분자 주쇄 구조에 기인하며, 이러한 경직한 분자 구조는 광 활성층 내에서 단절된 결정 영역의 형성으로 이어져 기계적인 응력에 취약해진다.
본 연구에서는 유기태양전지의 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되는 전기적 성능과 기계적 성능의 상충관계를 극복하는 고분자 전자주개 물질을 개발하고 이를 완전 신축형 유기태양전지에 적용하여 세계 최고 성능을 구현하였다. 광전변환효율과 기계적 신축성은 분자량과 밀접한 관계를 가지는데, 고분자의 사슬길이가 유효 활용 길이에 다다르게 되면 전하 이동도가 포화되며 임계 분자량 이상일 때 고분자 사슬이 서로 엉킴으로써 비점성 값이 급격하게 증가하여 신축성이 증가하게 된다. 따라서 이번 연구를 통해 높은 전기적 특성을 담당하는 고분자 블록과 높은 신축성을 가지는 고분자 블록 단위의 중합을 통해 기존 무작위 중합 혹은 삼원 혼합 방식에서 경험하던 전기적-기계적 성능의 상충관계를 극복하고 높은 수준의 광전변환효율과 기계적 신축성을 구현하였다.
