Study on the roles of conjugated polymer in enhancing the performance of small molecule based photovoltaics

Abstract

Due to its high purity and unified molecular weight, small molecule has good synthetic reproducibility which can be a very strong point over polymer solar cell materials. Despite of these advantages, Small molecule organic solar cells(SM-OSC) is far off from commercialization because of its low ability to form optimum morphology and morphological instability in light soaking condition. Herein, new strategy using conjugated polymer as a plasticizer to control morphology and improve stability is introduced so as to make the commercialization of OSC earlier. First of all, theoretical backgrounds of organic solar cells (OSCs) will be given to help grasp basic principles of this thesis. Working principles of OSCs and characteristic parameters will be explained. In next chapter, ternary system employing p-type small molecule, fullerene derivative, and additive polymer will be investigated. Efficiency enhancement by controlling morphology and reduced initial burn-in loss of p-DTS(FBTTh2)2 (7′-(4, 4-bis(2-ethylhexyl)- 4H – silolo [3,2-b:4,5b′] dithiophene–2,6–diyl) bis(6-fluoro-4-(5′-hexyl-[2,2′-bithiophen]-5yl)benzo[c][1,2,5] (thiadiazole)) and ([6,6] phenyl–C70-butyric acid methyl ester) PC70BM bulk heterojunction were simultaneously achieved by introducing a small amount of new conjugated polymer, named LGC-D130. LGC-D130 plays a role of plasticizing polymer, which prevents over-aggregation of p-DTS(FBTTh2)2, eliminate trap sites, and improve morphological photo-stability. Optimized film morphology and morphological stability were measured with GIWAXS, TEM, and EDS. Various electrical characterizations were conducted to verify the effect of film morphology on photovoltaic properties.;유기 태양전지는 낮은 가격과 가벼운 무게감, 얇고 휘어지는 전지 필름의 특성으로 인해 차세대 에너지원으로 주목 받고 있다. 하지만 실리콘 태양전지에 비해 낮은 효율과 재현성, 그리고 장기안정성은 유기 태양전지의 상용화에 걸림돌로 작용하며, 최근 국내외로 이를 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 광활성층용 단분자 재료는 화학구조 특성상 고분자 유기태양전지 재료에 비해 순도가 높고 재현성이 좋다는 장점을 가진다. 하지만 결정을 크게 형성하는 단분자의 특성으로 인해, 고분자 태양전지 보다 모폴로지 조절과 효율 최적화가 어렵다는 단점이 있다. 또한, 장기안정성 테스트 가속 실험 환경에서 급격한 열화로 인해 개방 전압이 빠르게 감소하는 현상이 관찰되었으며, 결과적으로 효율이 심각하게 떨어지는 단점을 보여왔다. 본 연구에서는 이와 같은 단분자 유기태양전지의 문제점을 극복하기 위해 소량의 전도성 고분자를 첨가하였다. 첨가된 전도성 고분자는 가소제(plasticizer) 역할을 하여 과하게 큰 단분자 결정의 형성을 막았다. 뿐만 아니라, 광활성층 내부의 각 도메인을 이어주어 전하의 빠른 수송을 도왔고 이로 인해 Fil factor가 1.18배, 효율이 1.40배 향상되는 결과를 보였다. 고분자 체인은 광 침투 가속 실험 환경에서 보이는 PC70BM의 뭉침 현상을 완화하는 역할을 하여 단분자 유기 태양전지의 장기안정성 또한 향상시켰다. 455 nm cut-off long pass filter의 LGC-D130의 동시 사용으로 모폴로지가 눈에 띄게 안정화 되었으며, 그 결과 빛에 1000 시간 동안 소자를 노출시킨 후의 효율은 초기 대비 72%까지 향상되었다. DTS(FBTTh2)2와 PC70BM을 사용한 역구조 벌크 이종접합 태양전지에 LGC-D130이라는 고분자가 DTS(FBTTh2)2: LGC-D130: PC70BM=3:0:2, 2.85:0.15:2, 2.7:0.3:2 비율로 블랜딩 되어 광활성층에 첨가되었다. 이에 대해 다양한 모폴로지 관측과 전기적 특성 분석이 이뤄졌으며 대표적으로 Hole mobility measurement (SCLC모델), Transmission electron microscope (TEM), Energy-dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), Grazing Incidence Wide Angle X-ray Scattering (GIWAXS) 등이 사용되었다.