고분자를 기반으로 하는 유기 태양전지는 유연하며 가볍고, 인쇄공정을 통해 대량으로 저렴하게 제작이 가능하므로 신재생 에너지원으로 주목 받아왔다. 하지만 유기 태양전지는 효율이 낮아 아직 실용화가 이루어지지 못하였으나, 최근 YangYang 그룹에서 실용화의 목표효율인 10%의 에너지 변환 효율이 보고되어 실용화에 한걸음 가까워졌다.
본 논문에서는 유기 태양전지의 광활성층 재료인 전도성 고분자를 새롭게 합성하여 유기 태양전지 소자를 제작하여 광전기력 특성에 대해서 분석, 연구하였다.
Chapter I에서는 fluorenone을 포함하는 새로운 전자 받개 단량체인 2,7-bis(5-bromo-4-hexylthiophen-2-yl)-9H-fluoren-9-one (DTFO)을 합성하여 전자 주개 단량체인 DOF와 BDT와의 공중합을 통해 poly(DTFO-alt-DOF)와 poly(DTFO-alt-BDT) 2종의 고분자를 합성하였다. 고분자의 물리적, 광학적, 전기화학적 특성을 조사한 결과, 전자 주개 단량체의 전자 주는 능력에 따라 고분자는 다른 특성을 나타내었다. 합성한 고분자를 전자 주개 물질 (donor)로 하고 풀러렌 유도체인 PC61BM과 PC71BM을 전자 받개 물질 (acceptor)로 하여 소자를 제작하였다. 제작한 소자 중에서 가장 높은 효율을 보인 것은1:2 비율에서 poly(DTFO-alt-BDT)로 만든 것으로 개방전압 (Voc)는 0.65 V, 단락전류 (Jsc)가 2.67 mA/cm2, 0.30의 채움인자 (FF)의 값으로 최대 에너지 변환효율은 0.53%를 나타내었다.
Chapter II에서는 유기 태양전지의 전자 주개 물질로 적용하기 위해서 benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene (BDT) 유도체를 포함하는 전도성 고분자를 합성하였다. 고분자의 곁사슬이 달라짐에 따라서 고분자의 물성, 광학적, 전기화학적 특성이 어떻게 변하는지를 조사하기 위하여 benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene (BDT) 유도체로 ABDT, TBDT, SeBDT 세 단량체를 합성하여 각 thiophene, alkylbithiophene 두 가지 단량체와 공중합을 하였다. 합성한 6종의 고분자 PABDT-T, PTBDT-T, PSeBDT-T, PABDT-TT, PTBDT-TT, PSeBDT-TT는 물리적, 광학적, 전기화학적 특성을 통해서 치환기의 변화가 고분자에 미치는 변화를 평가 비교할 수 있었다. 고분자의 2차원으로 확장된 곁사슬 변화는 열적으로 안정성과 광 흡수의 향상을 가져왔으며 미세한 에너지 준위 조절이 가능함을 확인하였다. 이러한 특성을 조사한 뒤 유기 태양전지 소자를 제작하여 광기전력 특성을 확인하였다. 제작한 소자 중에서 가장 높은 효율을 보인 것은 고분자와 풀러렌 유도체의1:2 비율에서 PABDT-TT 고분자로 만든 것으로 개방전압 (Voc)는 0.72 V, 단락전류 (Jsc)가 7.73 mA/cm2, 0.46의 FF의 값으로 최대 에너지 변환효율은 2.73%를 나타내었다.
Chapter III에서는 기존에 염료 (dye) 재료로 합성된 diketopyrrolopyrrole (DPP) 유도체를 용액공정이 가능한 유기 태양전지의 저분자 donor로 적용하기 위하여 합성 후 donor 재료로 적합한 열적 안정성, 낮은 밴드갭, 이상적인 에너지 준위를 가지는지 조사 및 연구하였다. 2종의 DPP 유도체는 높은 흡광 계수와 넓은 광 흡수 특성을 보였으며, HOMO 에너지 준위가 -5.44 eV, -5.13 eV로 donor로 적용하기에 적절한 에너지 준위를 가짐을 AC-II를 통해서 확인하였다.

Recently polymer-based organic solar cells (OSCs) have attracted considerable attention in science and technology as an alternative renewable energy source of silicon-based solar cells because of their advantages of the cost-effective manufacturing process using diverse printing technologies, light weight, flexibility, and so on.
Firstly, we designed and synthesized new electron-withdrawing materials in low-band gap copolymer using donor composed of fluorenone and thiophene. The new electron-withdrawing group, 2,7-bis(4-hexylthiophen-2-yl)-9H-fluoren-9-one, referred as simply dithienylfluorenone (DTFO). The synthesized DTFO was polymerized with two different electron-donating counter monomers: 2,7-dibromo-9,9-dioctyl-9H-fluorene (DOF) and 2,6-bis(trimethyltin)-4,8-di(2-ethylhexyloxyl)benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene (BDT). Two alternating copolymers, poly(DTFO-alt-DOF) and poly(DTFO-alt-BDT), were synthesized through the Suzuki and Stille polymerization though Pd(0) catalyst, respectively. The resulting copolymers were characterized by 1H , 13C NMR, UV-vis absorption, CV, TGA and AFM analysis. These copolymers were found to be soluble in common organic solvents and are easily spin-coated onto glass substrates, resulting high optical quality thin films without defects. The optical band gap energies of poly(DTFO-alt-DOF) and poly(DTFO-alt-BDT) were determined to be 2.44 and 2.23 eV, respectively. Energy levels of the highest occupied molecular orbital (HOMO) were also determined by CV. Photovoltaic devices were fabricated using the copolymers as the p-type donor and PC61BM or PC71BM as the electron acceptor. One of these devices showed a power conversion efficiency of 0.50%, with an open-circuit voltage of 0.67 V, a short-circuit current of 2.34 mA/cm2, and a fill factor of 0.30 under air mass (AM) 1.5 global (1.5 G) illumination conditions (100 mW/cm2), respectively.
Secondly, a series of semiconducting polymers containing benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene (BDT) derivatives has been synthesized through a Stille coupling polymerization. Three kinds of BDT-based monomers such as 2,6-bis(trimethyltin)-4,8-di(2-ethylhexyloxyl)benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene (ABDT), 2,6-bis(trimethyltin)-4,8-bis(5-octylthiophen-2-yl)benzo[1,2-b;4,5-b′]dithiophene (TBDT) and 2,6-bis(trimethyltin)-4,8-bis(5-dodecylselenophen-2-yl)benzo[1,2-b;4,5-b′]dithiophene (SeBDT) were copolymerized with thiophene or alkylbithiophene co-monomers to give fully conjugated low band gap polymers for use in organic photovoltaic device as electron donors. The synthesized polymers exhibited good solubility in common solvents, and good thermal stability up to 320 °C. The highest occupied molecular orbitals (HOMOs), lowest unoccupied molecular orbitals (LUMOs) and optical band gap energies of the synthesized polymers were determined by using cyclic voltammetry (CV) and UV-visible absorption spectroscopy. The Optical band gap energies of the polymers were in the range of 1.83-2.12 eV, depending on the polymer structure. The bulk heterojunction organic solar cells were fabricated using the conjugated polymer as electron donors and 6,6-phenyl C71-butyric acid methyl ester (PC71BM) as an electron acceptor. One of the fabricated devices showed a power conversion efficiency of 2.73%, with an open-circuit voltage of 0.72 V, a short-circuit current of 7.73 mA/cm2, and a fill factor of 0.46 under air mass (AM) 1.5 global (1.5 G) illumination conditions (100 mW/cm2).
Lastly, solution-processable small molecules have attractive features for application in organic solar cells. Two diketopyrrollopyrrole (DPP) - based small molecules (ADPP and FDPP) have been synthesized, characterized, and employed as electron donors for soluble small molecule organic solar cells. The central DPP unit adopted here is a versatile electron withdrawing group building block for the development of various optoelectronic materials. To increase the solubility and electron-density of the products, long alkoxy chains were introduced into the structures of ADPP and FDPP. Thermal gravimetric analysis demonstrates that the two compounds are stable up to 330 °C. The highest occupied molecular orbitals (HOMOs), lowest unoccupied molecular orbitals (LUMOs) and optical band gap energies of the synthesized polymers were determined by using Photo-electron spectroscopy and UV-visible absorption spectroscopy. The band gap energies and energy levels of ADPP, FDPP are suitable for applications as organic solar cell electron donor materials. It is concluded that the present small molecule organic solar cells are promising cells in the future.