The performance of all-polymer solar cells (all-PSCs) is often limited by poor exciton dissociation process. Herein, we present the design of a series of polymer donors (P1-P3) with different numbers of fluorine atoms on their backbone and investigate the influence of fluorination on charge generation in all-PSCs. Sequential fluorination of the polymer backbones increases the dipole moment difference between the ground and excited states ($\Delta\mu_{ge}$) from P1 (18.40 D) to P2 (25.11 D) and to P3 (28.47 D). The large $\Delta\mu_{ge}$ of P3 leads to efficient exciton dissociation with greatly suppressed charge recombination in P3-based all-PSCs. Also, the fluorination lowered the highest occupied molecular orbital energy level of P3 and P2, leading to higher open-circuit voltage ($V_{OC}$). The power conversion efficiency (PCE) of the P3-based all-PSCs (6.42%) outperforms those of the P2 and P1 (5.00 and 2.65%)-based devices. The reduced charge recombination and the enhanced polymer exciton lifetime in P3-based all-PSCs are confirmed by the measurements of light-intensity dependence of short-circuit current density ($J_{SC}$) and $V_{OC}$, and time-resolved photoluminescence. Therefore, our results provide reciprocal understanding of the charge generation process associated with $\Delta\mu_{ge}$ in all-PSCs and suggest an effective strategy for designing $\pi$-conjugated polymers for high performance all-PSCs.
전-고분자 태양전지 (all-PSCs)의 성능은 종종 불충분한 엑시톤 해리 과정에 의해 제한된다. 본 연구에서는 주쇄에 다른 수의 불소 원자를 가진 새로운 시리즈의 고분자 도너 (P1-P3) 시리즈를 설계하고, 전하 생성에 미치는 불소화의 영향을 조사하였다. 고분자 주쇄에서 순차적 불소화는 P1 (18.40 D)에서 P2 (25.11 D), P3 (28.47 D)까지 $\Delta\mu_{ge}$(바닥 상태에서 들뜬 상태로의 쌍극자 모멘트 변화)를 증가시켰다. P3의 큰 $\Delta\mu_{ge}$는 전하 재조합을 크게 억제함으로써 효율적인 엑시톤 해리를 일으켜, P3 기반의 all-PSC의 증가된 태양전지 성능을 이끌어내었다. 또한, 불소화는 P3 및 P2의 HOMO (highest-occupied molecular orbital) 에너지 레벨을 낮추어 개방 전압 ($V_{OC}$)을 높였다. P3 기반 all-PSC (6.42 %)의 광전환변환효율 (PCE) 값은 P2 및 P1 (5.00 및 2.65 %) 기반 장치의 광-전환 효율을 능가한다. P3 기반 all-PSC에서 감소된 전하 재결합 및 향상된 고분자 고유의 엑시톤 수명은 단락전류 ($J_{SC}$) 및 Voc의 광 세기 의존성 및 시간 - 분해성 광 발광 측정 결과에 의해 잘 뒷받침된다. 따라서 이 결과는 all-PSC에서 $\Delta\mu_{ge}$와 관련된 전하 생성 과정에 대한 상호 간의 이해를 제공하고, 고성능 all-PSCs를 위한 $\pi$-전도성 고분자의 효과적인 설계 전략을 제안하였다.
