Conducting polymers are a key material in organic electronic devices such as organic solar cells (OSCs), organic field-effect transistors (OFETs), and organic light-emitting devices (OLEDs) because of their potential applications in large area, lightweight, flexible photovoltaic devices through low-cost solution-processing techniques. Among then, all-polymer solar cells (all-PSCs), composed of polymer donor and polymer acceptor, are attracting attention recently because they have high light absorption ability in visible region and excellent stability against mechanical, thermal, photo stresses compared with conventional fullerene-based polymer solar cells. However, all-PSCs still have lower power conversion efficiency (PCE) than small molecule-based OSCs, so it needs to be continuously developed. Optimization of device structure and device processing condition is important for improving the photovoltaic performance of all-PSCs. Fundamentally, it is essential to develop the high performance materials. Therefore, it is very important to understand and investigate the effect of chemical structures on the photovoltaic performance of the all-PSCs because the intrinsic properties of the conducting polymer are determined by the chemical structure.
In this thesis, the effects of optical, structural, morphological and electrochemical properties controlled by the backbone modification of conducting polymer on the photocurrent and photovoltaic performance of the all-PSCs have been studied. Furthermore, the design of the molecule demonstrated to be a very effective strategy for improving the performance of all-PSCs. Thus, in this thesis, (1) polymer donors, alternating copolymers, were designed as random copolymers to finely tune the light absorption in the visible region. It has been demonstrated that the complementary light absorption of the designed polymer donor and polymer acceptor improves photocurrent. (2) The effect of sequence of three different monomers in the polymer backbone on the polymer properties and their device performance was investigated. In particular, the polymer packing structure in thin films was observed by X-ray technique, and the correlation between the structural and electrical properties of the polymer thin film was observed. (3) By introducing nitrogen atoms at different positions in the polymer backbone, the effect of the finely tuned electrochemical properties on the charge generation efficiency was investigated. Finally, the correlation between the backbone design of conducing polymer and the photocurrent generation of the all-PSCs covered in this dissertation provides important guidelines for the development of high performance conducting polymers for OSCs.
전도성 고분자는 저비용 용액 공정을 통해 대면적화, 경량화, 유연한 소자 제작에 잠재적인 응용 가능성 때문에 유기 태양 전지, 유기 전계 효과 트랜지스터 및 유기 발광 소자와 같은 유기 전자 장치의 핵심 재료이다. 그 중에서도 광활성 층이 고분자 도너와 고분자 억셉터로 구성되어 있는 전-고분자 태양전지는 기존 풀러렌 기반 유기태양전지에 비해 기계적, 열, 광 스트레스에 우수한 안정성을 가지며, 가시 광 영역에서 우수한 빛 흡수 능력을 가지고 있어 각광받고 있다. 하지만 아직 단분자 기반의 유기태양전지에 비해 낮은 광 변환 효율을 보이고 있어 지속적인 개발이 필요하다. 전-고분자 태양전지의 성능 향상을 위해서는 소자 구조 설계의 최적화도 중요하지만 근본적으로는 광활성 층을 구성하는 고성능 전도성 고분자의 개발 필수적이다. 전도성 고분자의 고유의 특성은 화학 구조에 의해서 결정되기 때문에 화학적 구조 설계에 따른 고분자의 특성이 전-고분자 태양전지 성능에 미치는 영향을 이해하고 관찰하는 것이 매우 중요하다.
본 학위논문에서는 전도성 고분자의 주쇄 설계를 통해 조절된 광학적, 구조적(모폴로지), 전기화학적 특성들이 전-고분자 태양전지의 광전류 및 광 변환 효율에 미치는 영향을 연구하였다. 또한 전-고분자 태양전지 성능 향상을 위해 분자 구조 설계를 제시하고 이를 증명하였다. 본 학위 논문에서, (1) 교대공중합체인 고분자 도너를 랜덤공중합체로 설계하여 가시 광 영역에서의 빛 흡수 영역을 미세하게 조절하고, 고분자 억셉터와 상보적 빛 흡수를 최적화하여 광전류 특성을 높이는 연구를 수행하였다. (2) 삼원 공중합체의 주쇄에 서로 다른 3개의 단위체의 순서가 고분자의 특성과 소자 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 특히, 박막 필름에서의 고분자 팩킹 구조에 미치는 영향을 X-ray 기술을 이용하여 관찰하고, 고분자 박막의 구조적 특성과 전기적 특성의 상관 관계를 관찰하였다. (3) 고분자 주쇄의 서로 다른 위치에 질소 원자를 도입하여 조절된 전기화학적 특성이 전하 생성 효율 및 광변환 효율에 미치는 연구를 하였다. 마지막으로, 본 학위논문에서 다루어지는 전도성 주쇄 설계와 전-고분자 태양전지의 광전류 특성의 상관관계를 통해 고성능 유기태양전지용 전도성 고분자 개발에 중요한 가이드라인을 제공한다.
