Firstly, a series of polymer donors with different D units in D-A alternating polymers were synthesized to achieve highly efficient organic solar cells. Through introducing different D units, the characteristics of polymers were changed including optical, electrochemical and thermal properties, and it leads differences in photovoltaic and morphological properties in blends with ITIC electron acceptor. We systematically analyzed the properties using appropriate tools such as DFT calculation, GIWAXS and RSoXS. Finally, the highly efficient PCE over than 8% was achieved. Furthermore, we tried to reveal the relationship between relative crystalline behavior of donor to acceptor and other properties of photovoltaic and morphological behavior
Second, a new material, 5TRh-PCBM was synthesized to control morphology of OSCs blend films. In strategy of compatibilization donor and acceptor phases by introducing 5TRh-PCBM, the thermal stability of OSCs devices was effectively improved under the heat. We firstly analyzed the effect of compatibilizer in P3HT:$PC_(61)$BM system, which is the most traditional and easiest to observe morphological changes by various tools to measure morphological properties such as optical microscopy, GIWAXS and RSoXS. In addition, to demonstrate that the effect of compatibilizer 5TRh-PCBM is widely applicable to highly efficient system with semi-crystalline or amorphous donor, PTB7-Th:$PC_(71)$BM system was introduced to see the trend of thermal stability as adding 5TRh-PCBM. In conclusion, these researches present one of the guideline of molecular engineering to achieve highly efficient and stable OSCs through controlling and stabilizing blend morphology.
본 연구에서는 고효율의 유기태양전지를 구현하기 위해 여러 D 유닛을 포함한 D-A 교차 고분자를 합성하였다. 서로 다른 D 유닛으로 인해 고분자의 광학, 전기화학, 열적 특성이 달라졌으며, 최종적으로 ITIC 억셉터와의 블렌드에서 전기적 특성 및 모폴로지를 제어할 수 있었다. 이러한 특성들을 DFT calculation, GIWAXS, RSoXS와 같은 여러 툴로 분석하였으며, 결론적으로 8%가 넘는 광전환효율을 얻을 수 있었다. 이에 더해 도너와 억셉터의 상대적 결정성과 전기적 특성 및 모폴로지 간의 관계를 밝히고자 하였다.
다음으로 유기태양전지의 블렌드 모폴로지를 제어하기 위해 5TRh-PCBM 를 합성하였다. 5TRh-PCBM을 도입함으로써 도너와 억셉터간의 상 분리를 억제하고 모폴로지를 안정화시켜 유기태양전지 소자의 열 안정성을 향상시켰다. 우선 5TRh-PCBM의 효과를 가장 전통적이고 모폴로지 변화를 쉽게 볼 수 있는 P3HT:$PC_(61)$BM 시스템에서 보고자 하였으며, 광학현미경, GIWAXS, 그리고 RSoXS를 통해 모폴로지 변화를 분석하였다. 뿐만 아니라, 5TRh-PCBM이 결정성 고분자 도너가 아닌 고효율을 보이는 반결정성 또는 비정질의 고분자 도너 시스템에서도 적용되는지 알아보기 위해 PTB7-TH:$PC_(71)$BM 시스템에 도입해봤으며 열 안정성이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다.
