High-performance all-polymer solar cells (all-PSCs) have been fabricated by using novel naphthalene diimide (NDI)-based alternating copolymers as electron acceptors. To control the planarity of the polymer backbone and enhance electron mobility, we introduce three different electron-rich units (i.e., thiophene (T), bithiophene (T2), and thienylene-vinylene-thienylene (TVT)) into the NDI-based polymers. Particularly, P(NDI-TVT) polymers exhibit the highest electron mobility ($2.31 cm^{2} V^{-1} s^{-1}$) in organic field-effect transistors (OFETs) owing to the various factors including enhanced degree of coplanarity, strong intermolecular interactions, facilitated three-dimensional (3-D) charge transport. In addition, the superb electron transport capability of P(NDI-TVT) leads to the well-balanced hole/electron mobility ratio in all-PSC blends. Thus, all-PSCs based on the P(NDI-TVT) acceptor exhibit a high power conversion efficiency of 4.25% without any solvent additives or thermal treatments. We suggest that the high electron transport ability of the polymer acceptor that can allow 3-D charge transport pathways and well-balanced hole/electron mobility ratio is highly effective for producing high-performance, additive-free all-PSCs.
태양에너지는 환경오염 및 지구온난화를 가속시키는 화석연료를 대체하여 지속가능하며 친환경적이고, 무한한 에너지원으로 인식되고 있으며 이러한 태양에너지를 사용하려는 노력들이 많이 이루어지고 있다. 그 중의 태양전지는 태양에너지를 전기 에너지로 전환하여 화석 연료 대신 전력을 공급할 수 있는 중요한 대체 에너지원 공급장치로써 각광을 받고 많은 연구가 진행되고 있다. 태양전지는 크게 무기태양전지와 유기태양전지로 나눌 수 있는데, 이는 태양에너지를 흡수하는 활성층을 이루는 물질의 종류에 따라 구분할 수 있다. 무기태양전지에 비해 유기태양전지는 용액공정을 통한 대면적 생산, 가볍고 휴대가능하다는 장점이 있어 무기태양전지와는 다른 시장성을 가지며 휴대용 전력 공급장치로써 각광을 받고 있다. 유기태양전지의 구조는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 활성층과 활성층을 위아래로 맞닿아있는 양 전극으로 구성 되어 있다. 특히, 활성층은 유기태양전지의 효율을 결정짓는 가장 중요한 요소라고 볼 수 있다. 대부분의 유기태양전지의 활성층은 고분자 전자 주개 물질과 풀러렌 유도체 전자 받개로 이루어져 있다. 이러한 풀러렌 전자 받개 기반의 유기태양전지의 경우 9~10% 효율을 보이고 있으며, 유기태양전지의 상용화를 위해 효율을 높이기 위한 연구가 많이 진행되고 있지만, 현재 유기태양전지 효율은 거의 포화 상태를 보이고 있다. 따라서 근래에는 풀러렌 대신 고분자를 전자 받개 물질로 사용하는 고분자/고분자 유기태양전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
전자 받개 물질을 풀러렌 유도체 대신 고분자를 사용하면 여러 장점을 활용할 수 있다. 풀러렌의 경우 분자 구조 디자인 및 합성, 정제 과정이 어려우며 단가가 높은 단점이 있다. 하지만 고분자의 경우, 분자구조 디자인 및 합성, 정제과정이 간편하며 이러한 분자 구조 디자인을 통해 고분자의 물리적, 광학적, 전기화학적 특성을 쉽게 조절할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 풀러렌의 비해 높은 흡광계수를 가지므로 뛰어난 빛 흡수 능력이 있으며, 풀러렌 기반의 유기태양전지에 비해 월등히 뛰어난 기계적 안정성을 보인다. 이러한 기계적 안정성은 웨어러블 및 플렉서블 디바이스의 전력 공급장치로써 매우 중요한 특성이라고 볼 수 있다. 하지만 풀러렌 기반의 유기태양전지에 비해 낮은 효율이 단점으로 꼽힌다. 따라서 이러한 낮은 효율을 극복하기 위한 연구들이 많이 진행되고 있다.
본 연구에서는 고분자/고분자 태양전지의 효율을 높이기 위해 높은 전자 이동도를 가지는 고분자 전자 받개 물질을 디자인 및 합성하였고, 실제로 합성한 고분자 전자 받개 물질을 사용하여 고분자/고분자 태양전지 소자를 제작, 특성 평가를 진행하였다. 실제로 전자 이동도가 가장 높을 것으로 예상한 고분자 물질을 사용한 태양전지 소자에서 가장 높은 효율을 보였으며 추가 특성 평가를 통해 고분자 전자 받개 물질의 전자 이동도와 태양전지와의 밀접한 상관관계를 밝힐 수 있었다.