폴리머 광전지재료(Polymer photovoltaic materials)의 분자구조와 그 광전성능(Photovoltaic performance)은 매우 밀접한 관계를 가지고 있다. 지금까지 발표한 결과에 근거하면, 광전 폴리머의 분자구조 최적화는 대부분이 어떤 하나의 폴리머에 대해 진행하는 것이다. 즉, 서로 다른 분자구조에 대해 사람들은 서로 다른 방식을 사용하여 이에 대해 최적화를 진행한다. 이는 분자구조 최적화 사업의 난이도를 증가시킬 뿐만 아니라 아주 많은 잠재력을 가지고 있는 분자구조 유닛을 쉽게 지나칠 수 있다는 것을 설명한다. 그러므로 일종의 폴리머 광전성능을 개선할 수 있고 또한 광범위한 적용성을 가지고 있는 방법을 찾는 것은 하나의 매우 중요한 연구이다.

중국과학원, 과학기술부, 국가자연과학기금위원회의 지원에 의해 최근에 화학연구소 고분자물리화학 국가중점실험실과 유기고체원중점실험실은 폴리머 광전기재료의 분자구조 디자인 영역에서 시리즈 성과를 취득하였다.

연구원은 2차원 공액(Conjugated)구조를 BDT(Benzodiazepin thiophene) 유닛에 도입하였고 그림 1에서 표시한 티오펜(Thiophene)이 BDT 2차원 공액구조를 대체하는 유닛을 디자인하였고 이 유닛을 여러 가지 공액구조 유닛과 공중합하여 시리즈의 2차원 공액구조를 가지고 있는 공액 폴리머(그림 1)을 얻었다. 광전테스트(Photovoltaic Testing)의 결과에 의하면, 이런 2차원 공액폴리머와 알콕시(Alkoxy)가 대체한 대응폴리머에 비해 광전에너지전환효율(PCE)이 모두 효과적으로 높아졌다(그림 1과 그림 2 참고, 관련결과는 Macromolecules 2011, 44, 4035；Macromolecules 2012, 45, 3032；Macromolecules 2012, DOI:10.1021/ma301254x；Chem. Commun. 2011, 47, 8850；J. Mater. Chem. 2012, DOI: 10.1039/c2jm32931j에 발표).

그 중 2차원 공액 폴리머 PBDTTT-C-T에 기초한 폴리머 태양전지의 효율은 7.6%( Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 9697)까지 높아졌다. 연구원은 홍콩대학과 합작하여 새로운 부품구조의 사용을 통해 PBDTTT-C-T의 광전효율을 8.79%(Adv. Mater., 2012, 24, 3046)로 향상시켰다. 연구원은 또한 미국 매사추세츠대학의 연구원과 합작하여 X-ray 회절을 통해 폴리머 태양전지 활성층 모습에 대해 명확한 표징을 진행하였다(Adv. Mater., 2012, 24).

또한 연구원은 강한 전자흡인기(electron withdrawing group) sulfonyl을 폴리머 PBDTTT에 도입하여 PBDTTT-S를 합성하였고 이 폴리머는 비교적 낮은 HOMO 에너지 준위를 가지고 있고 PBDTTT-S에 기초한 광전기부품 PCE는 6.22%에 달하였고 열린전압(Open circuit voltage)은 0.76V(Chem. Commun. 2011, 47: 8904)에 달하였다.

최근에 연구원은 티오펜 p-bridge와 티오펜 대체의 삽입을 통해 2차원 공액폴리머 PBDTDTTT-S-T를 제조하였고 이 폴리머는 비교적 좋은 평면구조와 비교적 강한 고리(Chain) 사이의 상호작용을 가지고 있고 PBDTDTTT-S-T에 기초한 폴리머 태양전지의 PCE는 최고로 7.81%(Adv. Mater., 2012, 24, 3383)에 달하였다.
여기에서 언급할 것은 2차원 공액개념의 사용으로 폴리머 광전성능을 개조하여 2004년 화학연구소 연구원이 처음으로 제기한 것이다(특허: (1) “일종의 고리형(Branched chain) 공액폴리머 티오펜 유도체 재료 및 제조방법”, 특허번호: ZL 2004 1 0088723.8이고 (2) “일종의 2차원 공액 폴리머 및 제조방법과 응용”, 특허번호 ZL 2005 1 0132380.5이며 대표적인 논문은 J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 4911；Macromolecules, 2006, 39, 594이다.).

현재 취득한 연구성과는 연구원이 진행한 2차원 공액 폴리머 광전재료 연구의 지속적인 성과이다.

그림 1: 2차원 공액 BDT 유닛과 2차원 공액 폴리머의 분자구조 설명도
그림 2: 티오펜 공액 갈래고리를 함유한 2차원 공액폴리머와 알콕시 고리형을 함유한 비2차원 공액 폴리머 광전성능의 대비(청색은 비2차원 공액폴리머, 주황색은 2차원 공액폴리머)