Recently, development of stretchable OSCs, which are regarded as the next generation of flexible electronic devices, has emerged as interesting topics. In particular, OSCs have been expected to be used as wearable devices that can be attached to the body due to their lightness, superior flexibility, and stretchability. In order to realize the intrinsically stretchable OSCs, all components of the OSCs, including the electron/hole transporting layers, substrates, electrodes, and active layer, must to be changed to stretchable materials. Also, it is important to improve the adhesive between the layers and the cohesive energy. So far, the intrinsically stretchable OSCs has not been studied yet due to its technical limitations. Here, in this study, using stretchable conductive polymer electrodes(PEDOT:PSS) along with TPU substrate replacing metal based ITO/Glass, complete stretchable OSCs was intrinsically realized. Especially, highly efficient PM6:Y6 photovoltaic blend system showed PCE of over 9%, which is the highest efficiency over the world in this field. Furthermore, the mechanism of crack generation by deformation of stretchable OSCs was analyzed using tensile test and in-situ SEM. These studies suggest important guidelines for optimization of stretchable substrates and intrinsically sustainable stretchable devices.
본 학위논문에 제시된 연구는 플렉시블한 전자소자의 다음 세대로 각광받고 있는 스트레처블 유기태양전지 소재개발 및 소자공정 최적화에 관한 연구이다. 유기태양전지는 가볍고 우수한 유연성으로 인해 신체에 부착 가능한 웨어러블용 태양전지로 활용될 것으로 기대되고 있다. 이는 소자를 늘렸을 때 소자성능의 감소없이 작동하고, 반복적인 cycle에도 효율특성이 유지되어야 한다. 또한, 스트레처블 태양전지를 구현하기 위해서는 소자 구성요소인 광활성층을 포함하여 기판, 전극, 전자/정공 수송층들도 모두 신축성 소재로 변경되어야 하며 층간의 접착력을 증가시키는 것 또한 신축성능에 매우 중요한 핵심이다. 따라서, 이 논문에서는 향후 차세대 태양전지 산업에 획기적인 변화를 가져올 수 있는 새로운 소자 구조의 고 신축성을 가지는 유기태양전지 개발에 관한 연구를 진행하였다. 기존의 금속기반의 ITO/Glass를 대체하는 TPU 기판과 더불어 유연한 전도성 고분자 전극(PEDOT:PSS)을 활용하여, 완전한 스트레처블 유기태양전지 소자를 구현하였다. 특히, 스트레처블 유기태양전지에 고효율의 PM6:Y6 광활성층 시스템을 적용하여 9%를 상회하는 고효율을 확인하였고, 이는 이 분야에서 세계적으로 가장 높은 효율이다. 추가적으로, 기계적인 특성분석을 위해 인장실험 및 in-situ SEM을 활용하여 스트레처블 유기태양전지의 신축성 추이와 변형에 의한 크랙발생의 메카니즘을 전반적으로 분석하고자 하였다. 이 연구는 추후 신축성 기판과 스트레처블 전자소자의 구현 및 최적화에 중요한 가이드라인을 제시한다.