A new series of conjugated polymer donors (non-fluorinated P1 and fluorinated P2) were synthesized from an electron-rich benzodithiophene (BDT)-derived moiety in conjugation with electron-deficient 1,3-bis(4-octylthien-2-yl)-5-(2-ethylhexyl)thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione unit via microwave assisted Stille polymerization, with a view to demonstrating fluorination effects of p-type polymers. We introduced the fluorine atoms into the 2D-conjugated side chains (alkoxyphenylthiophene) of the BDT unit instead of direct substitution into the polymer backbones to fine-tune the polymer properties, such as energy levels and interfacial interaction, without signifi-cantly affecting other polymer properties. As the fluorination of the polymers, the power conversion efficiency increased remarkably from 2.93% $(V_{OC} : 0.88 V, J_{SC} : 7.41 mA \dot cm^{-2}, and FF: 0.45)$ for the P1-based all-PSCs to 7.13% $(V_{OC} : 0.94 V, J_{SC} : 12.22 mA \dot cm^{-2}, and FF: 0.62)$ for the P2-based all-PSCs. This significant enhancement is achieved by synergistic improvements in open-circuit voltage, charge generation, and charge transport, as fluorination of the donor polymer optimized the band alignment and film morphology.
본 연구에서는 플렉시블한 유기태양전지의 상용화 가능성을 높이고자 전 고분자 태양전지 연구를 진행하였다. 특히. 태양에너지를 빛의 형태로 흡수하여 전기에너지를 생성하는 활성층에 대한 연구의 일환으로, 활성층을 이루는 두 고분자의 에너지 레벨을 조절하고 결정성 및 전하의 이동도를 향상시키기 위해 플루오린 원자를 도입하여 고분자 전자 주개 물질을 디자인 및 합성하였고, 이를 대표적인 고분자 전자 받개와 전 고분자 태양전지 소자를 제작, 특성 평가를 진행하였다. 결과적으로, 기존의 고분자 백본에 활용되던 플루오린 도입 방식을 대신하여 곁사슬에 도입함으로써 7% 이상의 높은 효율을 보이는 전 고분자 유기태양전지 소자를 구현할 수 있었으며, 곁사슬의 플루오린화가 미치는 영향을 광학적, 전기적, 형상학적으로 다양하게 분석함으로써 고분자 구조와 특성간의 관계를 폭넓게 분석하였다.
