A conjugated polymer is an organic material that can demonstrate optical and electrical properties resulting from the alternative structure of single and double bonds with various advantages such as light-weight, flexibility, solution processibility for large-scale production. Based on these characteristics, the conjugated polymers have been actively applied as key materials of organic solar cells that can convert light into electricity as a sustainable next-generation energy source. In particular, all-polymer solar cells (all-PSCs), composed of both p-type and n-type conjugated polymers for the active layer, realize excellent mechanical stabilities through entanglement effect of polymer chains. This key merit makes all-PSCs suitable for a next-generation power source with wearability and stretchability. However, to simultaneously achieve robustness as well as high performance of all-PSCs, it is imperative to develop efficient conjugated polymers.
In this dissertation, quinoxaline (Qx)-based n-type conjugated polymers were reported, for the first time, and the effect of modification of their chemical structure on the photovoltaic performance of all-PSCs is carefully investigated in depth. In order to enhance electron deficiency of Qx for constructing n-type conjugated polymers, nitrile functional groups which have a strong electron-withdrawing effect are introduced. As a result, Qx-based n-type conjugated polymers are successfully developed and exhibit unipolar n-type characteristics in organic field-effect transistor devices. Also, Qx-based conjugated polymers show great potential as n-type components for application to high-performance all-PSCs based on their high absorption coefficient and vertical electron transport ability.
Qx has another advantage over other n-type building blocks, in detail, it has multiple positions for the incorporation of side chains. Therefore, the change of the side chain positions (e.g. meta and para position of pendant benzene ring) can provide more room for controlling various properties beyond conventional side chain engineering. Selectively meta-positioned side chain induces electron-withdrawing effect and desirable electron transport ability, enabling the Qx-based polymer to work well as an n-type component in all-PSCs. In contrast, when simply changing the side chain position from meta to para, electron-donating effect and poor charge conducting pathway result in inferior performance in corresponding all-PSCs. These results demonstrate the importance of introducing alkoxy side chains at a proper location in the Qx-based polymer for their application to all-PSCs.
Finally, continuous research and the careful optimization of the Qx-based n-type conjugated polymers will realize high-performance all-PSCs in near future.
전도성 고분자는 단일 결합과 이중 결합의 교대 구조로부터 기인하는 공액 구조를 기반으로 광학적 전기적 특성을 구현할 수 있는 유기 물질이다. 더불어 가볍고 유연하며 용액공정을 통한 대면적화가 가능하다는 장점이 있다. 이러한 특성을 기반으로 현재까지 지속 가능한 차세대 에너지원으로써 빛을 전기로 전환할 수 있는 유기태양전지의 광활성 소재로 활발히 활용되어 왔다. 특히, 광활성층이 p형, n형의 전도성 고분자 소재로 이루어져 있는 전고분자 태양전지는 전도성 고분자의 사슬 얽힘 현상을 통해 우수한 기계적 안정성을 구현할 수 있는 특징을 가지고 있어 미래의 신축성을 가지는 웨어러블 혹은 스트레쳐블 디바이스에 적합한 휴대 전원으로 적용될 것으로 전망된다. 이에 전고분자 태양전지 상용화를 위해서는 내구성과 더불어 높은 광전변환효율 구현할 수 있는 고성능 전도성 고분자 소재 개발이 매우 필수적이다.
본 학위논문에서는 퀴녹살린 기반의 신규 n형 전도성 고분자 소재를 처음으로 개발하여 보고하며 다양한 화학구조 변형에 따른 전고분자 태양전지 성능에 미치는 영향에 대해 깊이 있는 연구를 진행하였다. 퀴녹살린 구조체에 강한 전자 당김 특성을 가진 나이트릴 작용기 도입하여 해당 공액 구조의 전자 결핍 특성을 강화함으로써 퀴녹살린 기반의 n형 전도성 고분자 소재를 성공적으로 개발하였다. 유기 전계 효과 트렌지스터 제작을 통해 전자를 수송할 수 있음을 확인하였으며, 우수한 흡광 및 수직 전하이동도를 기반으로 전고분자 태양전지의 고성능 n형 물질로써 활용될 수 있는 유망한 결과를 도출하였다.
또한, 퀴녹살린은 다른 n형 빌딩 블록에 비해 곁사슬을 다양한 위치에 선택적으로 도입할 수 있다는 구조적인 장점이 있다. 곁사슬 위치 제어는 (e.g. 펜던트 벤젠 링의 메타 및 파라 위치) 기존의 일반적인 곁사슬 엔지니어링을 넘어서는 더욱 다양한 특성의 효과적인 조절을 가능하게 한다. 실제로 퀴녹살린의 메타 위치에 곁사슬이 도입되는 경우 전자 당김 특성을 부여하고 우수한 전자 이동 경로를 형성함으로써 전고분자 태양전지에서 n형 전도성 고분자로써 작동할 수 있음을 확인하였다. 반면, 단순한 곁사슬의 위치 변화에도 불구하고 곁사슬이 파라 위치로 변경되는 경우에는 전자 공여 특성과 함께 매우 낮은 결정 형성을 유도하여 n형 소재로써 잘 작동하지 못하는 결과를 초래하였다. 이를 통해 퀴녹살린 기반 n형 고분자의 경우 적절한 위치에 곁사슬을 도입하는 것이 매우 중요함을 밝혀내었다.
끝으로, 본 학위논문에서 새롭게 개발된 퀴녹살린 기반의 n형 전도성 고분자는 지속적인 연구 및 화학구조 최적화를 통해 가까운 미래에 전고분자 태양전지의 성능을 획기적을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
