The commercialization of polymer solar cells (PSCs) is still limited even though the successful advances of performances over ~11% have been achieved. One of the main hurdles is originated in fullerene derivatives used as an electron acceptor in PSCs. Fullerene derivatives have high crystallization behavior and diffusion kinetic, which cause micron-sized fullerene crystals diffused out from fullerene phases and macro-phase separation of polymer/fullerene blends in a very short time scale when the blends are heated. The phase-separated blends significantly reduces the long-term stability of PSCs. Fullerene derivatives also have high brittleness, resulting in the mechanical failures of polymer/fullerene blends against even low level of mechanical deformations. In addition, the fullerene-based PSCs are fragile against solar irradiation. When fullerene derivatives are irradiated, fullerene dimerization occurs from cycloaddition reaction between fullerene balls, forming fullerene dimers. The fullerene dimers in polymer/fullerene blends reduce electron mobility and efficiency of PSCs.
Here, a new high performance polymer/polymer solar cell (all-polymer solar cell, all-PSC) system was developed and their stabilities were examined to establish a highly efficient and stable PSC devices. All-PSCs composed of n-type conjugated polymers can possess a variety of advantages in terms of both efficiency and long-term stability. For example, polymer acceptors have much higher light absorption ability in visible ranges, which mainly results in the improvement of short circuit current density $(J_{SC})$, and have variety energy levels, which mainly leads to the enhancement of open circuit voltage $(V_{OC})$, because their molecular structure can be easily modified. Furthermore, much lower diffusion kinetic, high ductility and photo-chemical stability in a $N_2$ condition of polymer acceptors can induce excellent mechanical, thermal and photo-stabilities of all-PSCs, demonstrating the great potential of all-PSCs in applications for flexible and portable devices.
유기태양전지는 11% 가 넘는 높은 효율에도 불구하고 상용화가 되지 못하고 있다. 상용화의 주된 방해 요소는 현재 유기태양전지의 전자 받개로 사용되는 풀러렌 유도체의 특성에 기인한다. 풀러렌 유도체는 높은 확산 계수와 결정화도를 가지기 때문에 외부 열에 의해 굉장히 빠른 시간 안에 광활성층 내에서 빠르게 확산하여 마이크론 단위의 상 분리를 일으키고 이는 소자의 장기 안정성을 감소시키는 원인이 된다. 또한, 높은 취성을 가지고 있어서 풀러렌 유도체로 이루어진 광활성층에 낮은 수준의 기계적 변형을 가하더라도 쉽게 균열이 생기게 한다. 광활성층의 균열은 전하 생성 및 이동을 저해시켜 결과적으로 심각한 효율 감소를 야기한다. 마지막으로, 풀러렌 유도체는 광에 대해서도 취약하다. 풀러렌 유도체에 빛을 조사하면 고리 첨가 반응에 의해 풀러렌 이합체가 생성된다. 생성된 풀러렌 이합체에 의해 전자 이동도가 급격히 저해되어 소자의 효율은 감소하게 된다.
본 학위논문에서는 기존 고분자/풀러렌 태양전지의 치명적인 단점인 안정성 문제를 해결하고자 새로운 고효율 고분자/고분자 태양전지 (전-고분자 태양전지)를 개발하여 그 안정성을 최초로 평가해보고자 한다. 풀러렌 유도체 대신 n형 전도성 고분자를 전자 받개로 사용하는 전-고분자 태양전지는 고분자 전자 받개에 의해 안정성 측면에서 다양한 장점을 지닌다. 광 흡수 능력 향상 및 분자 변형 용이성에 의한 넓은 에너지 준위 조절 범위를 비롯하여 고분자 고유의 특성인 높은 연성, 사슬 얽힘 현상 및 낮은 확산 속도를 장점으로 보유하고 있어 소자의 효율과 더불어 열, 광 및 기계적 안정성을 개선하여 소자의 장기 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것이라 기대한다.
