In this thesis, we developed high-performance all-polymer solar cells (all-PSCs) by controlling the structural properties of conjugated polymers. In particular, among the variety of the n-type polymers, the naphthalenediimide (NDI)-based copolymers have been studied, due to (1) their excellent thermal and oxidative stabilities, (2) the high electron affinities of the NDI core, (3) the remarkable electron-transporting properties by strong $\pi - \pi$ intermolecular interactions, and (4) the controllable physicochemical properties through facile functionalization on the nitrogen-position in the diimide group. Using this class of n-type conjugated polymers, we synthesized a series of NDI-T2 copolymers P(NDIR-T2), where R represents the different alkyl side chains, i.e., 2-hexyldecyl (2-HD), 2-octyldodecyl (2-OD), and 2-decyltetradecyl (2-DT) groups. The P(NDI2HD-T2) exhibits more noticeable crystalline behaviors than P(NDI2OD-T2) and P(NDI2DT-T2), thereby facilitating superior three-dimensional charge transport. The P(NDI2HD-T2) based all-PSCs produce much higher power conversion efficiency (PCE) irrespective of the electron donors. In particular, the PTB7-Th:P(NDI2HD-T2) forms highly ordered, strong face-on interchain stackings, and has better intermixed bulk-heterojunction morphology, producing the highest PCE of 6.11% that has been obtained by P(NDIR-T2) based all-PSCs to date. In addition, we also demonstrated that ternarby blend solar cells combinig P(NDI2HD-T2) and PC71BM as electron acceptors for efficient and mechcanically stable all-PSCs. Interestingly, the third component of $PC_{71}BM$ in all-PSCs of PTB7-Th:P(NDI2HD-T2) was found to be largely well mixed in the amorphous phase of D/A interface, which increased the efficiency of free charge carrier generation. As a result, PCE was improved from 6.32 to 7.33% by incorporating $PC_{71}BM$ 30% while retaining their mechanical properties (crack onset strain: 11.6% for all-PSCs binary blend and 10.7% for $PC_{71}BM$ 30% ternary blend). Finally, we also investigated the new class of non-conjugated polymer additive of poly(2-vinylpyridine) (P2VP) for modifying the interfaces between active layer and electrodes. We found out that the P2VP was vertically self-assembled on ZnO layer (electron transporting layer) via a single coating process in the deposition of active materials. Consequently, we successfully improved PCEs by adding a small amount of P2VP in both the highly efficient fullerene-PSC and all-PSC systems: $PTB7:PC_{71}BM$ (PCE: 7.37→8.67%), $PTB7-Th:PC_{71}BM$ (10.53→11.14%), and PTB7-Th:P(NDI2HD-T) (5.52→6.14%).
본 연구에서는, 공액 고분자의 구조 특성 제어를 통해 전-고분자 태양전지의 특성을 향상시키는 연구를 진행 하였다. 다양한 종류의 n형 고분자 중, naphthalenediimide (NDI) 기반의 n형 고분자에 대한 연구가 많이 진행되어왔다. 그 이유로는 (1) 열 및 산화 안정성이 우수하고, (2) NDI 코어에 의한 높은 전자 친화도를 지니며, (3) 강한 $\pi - \pi$ 상호작용으로 인해 전자 수송특성이 뛰어나고, (4) 다이이미드 그룹내의 질소 위치에 다양한 작용기를 도입할수 있는 장점이 있기 때문이다. 이러한 NDI 분자를 이용하여, 우리는 곁가지 사슬 길이가 조절된 세종류의 NDI-T2 고분자 시리즈를 합성하였다 (즉, P(NDI2HD-T2), P(NDI2OD-T2), P(NDI2DT-T2)). 우리는 곁가지 사슬 길이가 가장 짧은 P(NDI2HD-T2) 고분자가 가장 결정성이 우수하며, 그에 따라서 3차원 전하 수송 특성을 지님을 확인하였다. 그 결과, 다양한 p형 고분자와 블렌드 했을 때 P(NDI2HD-T2) 고분자가 가장 우수한 특성을 나타내었다. 특히, PTB7-Th:P(NDI2HD-T2) 시스템에서 6.11%에 이르는 고효율을 기록하였다. 또한, 우리는 전-고분자 태양전지의 우수한 효율 특성과 기계적 특성을 동시에 확보하기 위하여 PC71BM이 도입된 ternary blend 태양전지에 대한 연구를 진행하였다. PTB7-Th:P(NDI2HD-T2) 시스템에 PC71BM을 도입하였을 때, 자유전하생성 효율이 높아지면서 효율이 향상되는 것을 확인 하였다. 특히, PC71BM이 30% 첨가 되었을 때 기존 6.32%에서 7.33%로 효율이 비약적으로 향상되는 결과를 얻었다. 흥미로운 점은, PC71BM 30%의 비율에서도 기계적 특성이 전-고분자 박막에 비해서 거의 떨어지지 않는 것이었다. 마지막으로 우리는 태양전지의 효율 및 안정성을 최대화 하기 위하여 새로운 형태의 고분자 첨가제인 poly(2-vinylpyridine) (P2VP)를 개발하였다. P2VP가 광활성층 용액에 첨가되어 박막을 형성하였을 때, 표면에너지가 큰 특성에 의해 산화전극 표면으로 자가조립하여 표면특성을 개선 하는 것을 발견하였다. 그 결과 우리는 간단히 P2VP를 광활성층에 첨가하는 방법에 의해 fullerene 태양전지 뿐만이 아니라 전-고분자 태양전지의 효율 특성이 향상되는 것을 관찰하였다.
