We report on the design, synthesis, and characterization of a series of new random terpolymers (PDPP-Thiophene-Selenophene) consisting diketopyrrolopyrrole (DPP) as electron-deficient unit and thiophene and selenophene as electron-rich units with various thiophene/selenophene ratio in conjugated backbone. The optical and structural properties of these random terpolymers can be easily controlled by tuning the ratio between thiophene and selenophene. The absorption onset and the maximum absorption peaks were observed with a gradual red-shift with higher selenophene content in the chain. In polymer solar cells (PSCs), the best power conversion efficiency (PCE) value of 7.2% was obtained from the terpolymer which has 10 mol% of selenophene to thiophene, and unprecedentedly high hole-mobility $(3.28 cm^2 V^{-1} s^{-1})$ was also observed in organic field-effect transistors (OFETs). To understand these trends, the ordering of terpolymers and nano-morphology of terpolymers:PC71BM blends were carefully investigated by grazing-incidence X-ray scattering (GIXS), transmission electron microscopy (TEM), and atomic force microscopy (AFM). The findings suggested that introduction of selenophene unit in the main backbone significantly influence the lamellar stacking and formation of fibrillar structures.
유기태양전지는 기존의 무기태양전지에 주로 쓰이는 실리콘(Silicon) 반도체에 비해 흡수상수가 대략 1000배 이상 높다는 장점으로 인해 이론적으로 기존의 실리콘에 비해 1000배 얇은 두께에서도 비슷한 성능을 가질 수 있다는 큰 매력이 있다. 또한, 상대적으로 가격이 저렴하고, 얇은 박막으로도 대면적 구현의 가능성이 크다는 장점으로 인해 상업화로의 가능성이 매우 큰 분야이다. 하지만, 현재까지 보고된 유기태양전지의 최대효율은 단위소자 기준으로 대략 8%인데 유기태양전지의 상용화를 위해서는 10~15% 정도의 효율이 필요하다고 한다. 따라서, 유기태양전지의 효율상승을 위해서는 기존의 통상적인 전도성 고분자로 많이 쓰이는 P3HT나 그 외의 다양한 저 밴드갭 고분자보다 성질이 더욱 우수한 특성을 지닌 새로운 재료 개발이 시급하다.
대부분의 연구 그룹에서는 광학적 성질을 향상시켜 고분자의 빛의 흡수 스펙트럼을 넓히려는 쪽으로의 움직임만 활발하다. 하지만, 고분자의 고효율화에 있어서 또 다른 중요한 요소 중 하나는 고분자의 구조적 성질을 조절하여, 이의 전기적/형태학적 성질을 개선시키는 것이다. 이에, 본 연구에서는 DPP를 전자 받개 물질로, thiophene을 전자 주개 물질로 구성된 랜덤 이원 공중합체를 기반으로 전기적 특성이 매우 우수한 selenophene 단량체를 첨가하여, 최종적으로 새로운 형태의 랜덤 삼원 공중합체를 설계 및 합성하였다. 또한, 이렇게 간단하면서도 효율적인 삼원 공중합체 접근법을 통하여 체계적으로 selenophene 단량체의 구성 비율을 바꿔가면서 최적화된 고분자의 결정화도 및 분자 배열이 유기전자 소자 효율에 미치는 영향에 대하여 체계적으로 연구를 수행하였다.
Selenophene을 소량 첨가한 삼원 공중합체에서 분자배열 및 결정화도가 향상되는 것을 GIXS 측정법을 이용하여 확인할 수 있었고, 이를 OFET 소자에 적용하였을 때 전하이동도가 상승되는 결과를 보였다. 또한, 유기태양전지에 적용시켰을 때 기존의 이원 공중합체보다 더 높은 7.2% 효율을 기록하였다. 이에 더불어, selenophene 단량체의 비율을 다양하게 조절 함으로써, 전도성 고분자의 형태학적 성질이 크게 달라지는 것을 TEM 및 AFM 측정을 통해 살펴볼 수 있었다.
