Noble Polyurethane Derivatives for the Electron Transporting Layer of Organic Solar Cells

Abstract

New non-conjugated polyelectrolytes of various polyurethane backbone structures were designed and synthesized. The polyurethane polyelectrolytes (PEIs) were introduced to OPV devices of a conventional structure as the electron transporting layer (ETL) and performed as a competent interfacial layer, achieving power conversion efficiency (PCE) around 11% which is similar to an average PCE from the same-architectured devices fabricated with Poly(9,9-bis(3’-(N,N-dimethyl)-N-ethylammoinium-propyl-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene))dibromide (PFN-Br) as ETL. To understand phenomena at the surface of the metal electrode modified by a polyurethane PEI, UPS (Ultraviolet Photoelectron Spectrum) was measured. AFM measurements were taken for investigating morphology of PEIs formed into a film on the surface of the active layer. Furthermore, long-term storage stability in the ambient environment was measured for comparing the interlayer stability of polyurethane PEIs and PFN-Br, a widely-used conjugated polyelectrolyte for a cathode interlayer. The improved stability in the ambient observed from devices employing polyurethane PEIs indicates that the noble polyelectrolyte PEIs can also serve as a stable cathode interlayer, showing a potential as a candidate for new class of ETL materials.;다양한 폴리우레탄 백본 구조의 새로운 비공액 고분자 전해질을 설계하고 합성하였다. 폴리우레탄 고분자 전해질을 전자 수송층으로서 정구조의 유기태양광 디바이스에 도입하였고, 전력 변환 효율 약 11%를 달성하였다. 이는 대표적인 공액 고분자전해질 전자수송층 물질인 Poly (9,9-bis (3 '-(N, N-dimethyl) -N-ethylammoinium-propyl-2,7-fluorene) -alt-2,7- (9,9-dioctylfluorene) (PFN-Br)을 전자수송층으로 사용한 동일 구조의 유기태양전지의 평균 전력 변환 효율과 유사하며, 해당 합성 물질이 전자수송층으로서 경쟁력이 있다는 것을 보여준다. 폴리우레탄 고분자 전해질에 의해 변형된 금속 전극의 표면에서의 현상을 이해하기 위해 UPS (Ultraviolet Photoelectron Spectrum)을 측정하였다. 활성층 표면 위에 형성된 고분자 전해질막의 형태를 조사하기 위해 AFM 측정을 수행하였다. 또한, 주변 환경에서의 장기 저장 안정성을 측정하여 캐소드 중간층에 널리 사용되는 공액 고분자 전해질 물질인 PFN-Br과 폴리 우레탄 비공액고분자와의 전자수송층 안정성을 비교하였다. 폴리우레탄 고분자전해질을 사용하는 디바이스로부터 관찰된 주위 환경에서의 개선된 안정성은 새로운 형태의 고분자 전해질이 안정성있는 캐소드 중간층으로서 작용할 수 있다는 것을 보여주며, 새로운 부류의 전자수송층 물질 후보로서의 가능성을 나타냈다.