The investigation of structure-property relationship in polymer solar cells via molecular engineering of benzodithiophene-based conjugated polymer

Abstract

전도성 고분자를 기반으로 한 유기 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 우수한 전기적 특성과 가공성, 경량성, 유연성 등의 장점으로 향후 장기간에 걸쳐 생활의 서비스 자체를 변화시킬 파급력이 매우 큰 기술로 인지되어, 국내외에서 유기 태양전지의 효율 향상 및 안정성 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 유기 태양전지의 장점으로 최근 몇 년간 광전변환 효율이 급격히 향상되었으며 효율 향상의 중심에는 활성층에 사용되는 새로운 전도성 고분자 개발이 있었다. 특히, 넓은 파장 영역대의 빛을 효율적으로 흡수하면서 알맞은 LUMO/HOMO 에너지레벨 및 전하 이동도, 결정화도 등을 가지는 전도성 고분자 설계를 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 이에 본 연구에서는, 전도성 고분자의 특성 및 유기 태양전지의 광전변환 효율을 향상시키기 위해 전도성 고분자의 화학적 구조 및 특성 변화가 유기 태양전지의 성능에 미치는 영향에 대한 연구를 진행하였다. 기본적으로 유기태양전지의 전도성 고분자의 경우, 장파장 대의 빛을 흡수할 수 있도록 전자가 풍부한 그룹과 부족한 그룹이 교대 공중합된 형태인 저 밴드갭 고분자(D-A alternating copolymer)를 주로 사용한다. 이러한 저 밴드갭 고분자를 이용하여 높은 단락전류를 얻으면서 높은 개방전압을 동시에 얻어 보다 높은 효율을 얻고자 높은 LUMO 에너지 레벨을 가지는 플러렌 유도체인 ICBA (bis-) 및 ICTA (tris-)를 이용하여 유기 태양전지를 제작하였다. 저 밴드갭 고분자를 기반으로 그룹 개수가 늘어난 ICBA (bis-) 및 ICTA (tris-)를 사용했을 때 개방전압이 크게 향상됨을 확인할 수 있었지만 전도성 고분자의 LUMO와 ICBA 및 ICTA의 LUMO 사이의 충분한 driving force가 존재하지 않아 효과적인 엑시톤 분리가 일어나지 않아 급격히 낮은 단락전류를 얻었고, 이로 인해 유기 태양전지의 광전변환 효율이 크게 떨어지는 결과를 가져왔다. 이러한 결과를 바탕으로, 높은 단락 전류와 개방전압을 가지기 위해서는 전도성 고분자의 흡수 능력뿐 아니라 적절한 HOMO/LUMO 에너지 레벨을 가지도록 구조를 설계하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다. 이에 이러한 특성을 세밀하게 조절하고자 새로운 구조를 가지는 전도성 고분자를 합성하고자 했으며 기존의 전자가 풍부한 그룹과 부족한 그룹인 두 단량체가 교대로 들어가 있는 교대 공중합체 고분자 (D-A alternating copolymer)를 변형하여 추가적으로 세번째 단량체를 일정 비율 도입한 구조인 랜덤 삼원 공중합체인 terpolymer를 설계하였다. 이러한 연구를 통해 기존의 교대 공중합체와 랜덤 공중합체를 비교하는 연구를 진행하였다. 전자가 풍부한 그룹인 BDTT에 전자가 부족한 정도가 다른 두 개의 그룹인 DPP와 TPD의 비율을 조절하여 광학적 및 전기적 성질을 세심하게 조절할 수 있었으며 이로 인해 기존의 교대 공중합체보다 랜덤 공중합체가 보다 넓은 흡수 파장대를 가지면서 HOMO/LUMO 에너지 레벨도 세밀하게 조절이 가능한 것을 확인할 수 있었으며 이러한 변화로 인해 유기 태양전지 성능이 보다 향상됨을 확인할 수 있었다. 랜덤 삼원 공중합체인 terpolymer의 경우, 특성을 극대화시키기 위해서는 고분자를 구성하는 단량체의 비율조절이 중요함을 알 수 있었고 이러한 결과를 기존의 D-A alternating copolymer에 적용하는 연구를 진행하였다...