고효율의 유기태양전지를 구현하기 위해 최근 유기태양전지용 고분자 합성 연구는 electron donor (D) moiety와 electron acceptor (A) moiety를 교대로 하는 새로운 공액 고분자의 구조를 개발하는 데 초첨을 두고 있다. 유기태양전지의 효율을 효과적으로 증가시키기 위해서 D/A공액고분자는 로우 밴드 갭을 가지면서 개방 전압 (VOC)의 손실을 최소화할 수 있는 molecular engineering이 필요하다. D/A 공액고분자의 molecular engineering에 일반적으로 사용되는 방법은 백본 튜닝 (modulation of D/A moieties and incorporation of π-bridges between D/A moieties), 고분자 백본에 치환체 도입 및 사이드 그룹 튜닝이다. 제2 장에서는 효율적인 유기태양전지를 위한 D/A 공액고분자인 와이드 밴드 갭 PBT-OTT의 설계와 합성에 대해 보고한다. 공액고분자는 D moiety인 benzodithiophene, BDT와 A moiety인 thienopyrrolodione, TPD 그리고 π-bridge인 alkylthieno[3,2-b]thiophene(OTT)으로 구성된다. OTT π-bridge를 이용한 고분자 백본 확장의 효과를 연구하기 위해 D/A 공액고분자, PBT (π-bridge 없이 합성 됨), PBT-OT(alkylthiophene π-bridge) 및 PBT-OTT(alkylthieno[3,2-b]thiophene π-bridge)를 합성하였다. π-Bridge를 모계 고분자인 PBT에 삽입 후, 합성된 고분자의 광 흡수 및 전하 수송 특성이 크게 증가 하였다. 이 특성은 π-bridge를 도입으로 인해 고분자간의 강한 π-π 상호작용으로부터 생긴 결과이다. 최고 효율은 1.05 % (PBT), 4.67 % (PBT-OT) 및 7.21 % (PBT-OTT)였다. PBT-OTT와 PC71BM을 사용하여 제조 된 광활성 층은 잘 혼합 된 벌크 헤테로 접합 형태를 형성하고 가장 높은 효율을 보였다. 제 3 장에서는 와이드 밴드 갭 고분자 (PBT-OTT)와 억셉터 (PC71BM)로 구성된 이원 혼합 시스템에 로우 밴드갭을 가지는 억섹터 (ITIC)를 추가하여 전류밀도(JSC) 및 효율을 증가시켰다. PC71BM: ITIC = 8:2 비율을 갖는 삼원 혼화 시스템의 유기태양전지는 8.18 %의 가장 높은 효율을 나타내며, 이는 ITIC를 넣지 않는 이원 혼합 유기태양전지의 1.18 배이다. 이러한 효율의 증가는 주로 광 흡수 증가, 전하 이동에 대한 캐스케이드 에너지 준위, 전하 수송을 위한 최적의 모폴로지 및 이분자 및 트랩 재조합의 억제로부터 기인한다. 제4 장에서는 높은 흡광 계수와 효율적인 와이드 밴드갭을 가지는 D/A 공액고분자를 합성하기 위해 모계 고분자를 일차원(1D)과 이차원(2D)으로 확장시켰다. 와이드 밴드 갭 D/A 공액고분자인 PBT-OTT(모계 고분자), PDTBT-OTT(dithienobenzodithiophene 유도체로 합성된 1D 고분자 백본 확장) 및 PTTBT-OTT, PBTBT-OTT(side group 확장을 위해 각각 2-alkylthieno[3,2-b]thiophene와 2-alkylbenzo[b]thiophene를 이용)를 합성하였다. Side group 확장을 통한 PBTBT-OTT에 의한 빛의 흡수는 고분자 백본의 증가된 비편재화 길이로 인한 고분자의 흡광 계수의 증가로 인해 향상되었다. 고분자의 전하 수송 특성은 PBT-OTT 고분자 백본으로부터 π-공액 길이가 연장 된 후에 크게 변화되었다. 이 현상은 상응하는 고분자 백본 상의 바람직하지 못한 입체 방해에 의해 유도되었다. 각각의 합성된 공액고분자를 PC71BM과 블랜드 한 다음, 로우 밴드갭을 가지는 ITIC를 혼합시켰다. 최적화된 효율은 8.15 % (PBT-OTT), 6.00 % (PDTBT-OTT), 4.23 % (PTTBT-OTT) 및 8.61 % (PBTBT-OTT)였다. 와이드 밴드 갭 공액고분자 PBTBT-OTT는 로우 밴드 갭을 가지는 ITIC의 상보적인 흡수로 PBTBT-OTT에 기초한 유기태양전지는 가장 높은 JSC (16.61 mAcm-2)와 효율을 나타내었다.

Recent studies have focused on developing new π-conjugated polymer structures featuring alternating donor and acceptor (D/A) moieties to obtain highly efficient OSCs. To effectively increase the power conversion efficiency (PCE) of OSCs, the molecular engineering of the D/A π-conjugated polymer is necessary in minimizing loss of open circuit voltage, VOC while achieving narrow bandgap. Methods that are generally used for the molecular engineering of π-conjugated polymers include backbone tuning (modulation of D/A moieties and incorporation of π-bridges between D/A moieties), substituent introduction to polymer backbones, and side group tuning.
In Chapter 2, I report the design and synthesis of a D/A copolymer, wide bandgap PBT-OTT for efficient OSCs. The polymer consists of benzodithiophene (BDT) as a D moiety and thienopyrrolodione (TPD) as an A moiety with alkylthieno[3,2-b]thiophene (OTT) as a π-bridge. To investigate effects of OTT π-bridging backbone extension on the intrinsic and photovoltaic properties of the D/A copolymers, PBT (prepared without a π-bridge), PBT-OT (prepared with an alkylthiophene π-bridge), and PBT-OTT (prepared with an alkylthieno[3,2-b]thiophene π-bridge) were synthesized. After incorporating of the pi-bridges into parent polymer, PBT, the light absorption and charge transport properties of the resulting polymers were significantly increased. The improvements resulted from the strong π-π intermolecular interactions induced the π-bridging backbone extension between neighboring polymer chains. The highest power conversion efficiencies (PCEs) were 1.05 % (PBT), 4.67 % (PBT-OT), and 7.21 % (PBT-OTT). Furthermore, PBT-OTT was most miscible in PC71BM. As a result, photoactive layers prepared using PBT-OTT and PC71BM formed a well-mixed bulk-heterojunction morphology and yielded the highest PCE of OSCs.
In Chapter 3, to increase short circuit current, JSC and PCE of binary blend OSCs, I added a narrow bandgap acceptor (ITIC) to a binary blend system composed of a wide bandgap polymer (PBT-OTT) and an acceptor (PC71BM). A ternary blend OSC with PC71BM:ITIC = 8:2 acceptor ratio showed the highest PCE of 8.18%, which is 1.18 times that of the OSC without ITIC. The improvement is due mainly to increased light absorption, cascaded energy levels for charge transfer, optimized film morphology for charge transport, and suppression of bimolecular and trap-assisted recombination.
In Chapter 4, to synthesize efficient wide bandgap D/A copolymers with high absorption coefficient, π-conjugation length of PBT-OTT, parent polymer was systematically extended in one dimension (1D) and two dimensions (2D). A series of wide bandgap D/A copolymers, PBT-OTT (parent polymer), PDTBT-OTT (1D backbone extension prepared with the dithienobenzodithiophene derivative), and PTTBT-OTT (2D side group extension prepared using 2-alkylthieno[3,2-b]thiophene (TT)) and PBTBT-OTT (2D side-group extension prepared using 2-alkyl benzo[b]thiophene (BT), respectively) were synthesized. Light absorption by the PBTBT-OTT with 2D side group extension prepared 2-alkyl BT was significantly increased due to effectively increased delocalization length and absorption coefficient of the polymer. Charge transport properties of the polymers were significantly changed after the π-conjugation length from the PBT-OTT backbone was extended. The phenomenon was induced by unfavorable steric hindrances on the corresponding π-conjugation-extended polymer backbones. Each synthesized polymer was blended with PC71BM, then narrow-bandgap ITIC was incorporated into the blend. The highest PCEs measured from these ternary OSCs were 8.15 % (PBT-OTT), 6.00 % (PDTBT-OTT), 4.23 % (PTTBT-OTT), and 8.61 % (PBTBT-OTT). Because the wide bandgap polymer PBTBT-OTT has the highest absorption coefficient with complementary absorption of narrow bandgap ITIC, OSCs based on PBTBT-OTT showed the highest JSC = 16.61 mA cm-2 and PCE = 8.61 % in our OSCs based on polymers.