새로운 non-fullerene 업셉터를 적용한 고효율과 공기 안정성이 높은 P3HT 기반 폴리머 태양전지

현재 고효율 유기 태양전지(organic photovoltaics, OPV)는 저밴드갭 도너 폴리머를 사용하고 있는데 안정성과 합성 비용이 해결해야할 문제이다. 

또한 기존 OPV는 플러렌 기반 어셉터를 사용하는데 비싸고 불안정하고 광흡수가 제한적이라는 이슈가 있다.

Imperial Colleage London과 KAUST 연구자들은 플러렌을 대체할 수 있는 업셉터 물질을 개발했다. 이 물질은 indacenodithiopene(IDT) 유닛이 코어에 있는 IDTBR인데 현재 유일하게 대량 구매가 가능한 넓은 밴드갭 도너 물질인 P3HT와 함께 있을때 광전기적과 모폴로지 특성이 잘 매칭되었다. 역구조 셀 아키텍처(glass/ITO/ZnO/P3HT:IDTBR(75nm)/MoO3/Ag, active area 0.045cm2, 공기중에서 효율 측정)에서 6.4% 효율을 보였다. 

(그림 3 ⎜ IDTBR:P3HT 소자의 J-V 특성과 EQE)

O-IDTBR:P3HT 소자가 EH-IDTBR:P3HT 소자에 비해 Jsc가 높은 이유는 어닐링 후 O-IDTBR의 red-shifted 흡수로 인한 800nm이상 확장된 O-IDTBR의 EQE 때문이다.

그들은 새로운 폴리머로 만들어진 셀에서 안정성로서 공기 중에서 소자 수명과 고온 테스트를 진행했다.

(그림 7 ⎜ 태양전지 안정성)

O-IDTBR:P3HT 소자는 평가 재료 중에서 가장 낮은 열화를 보였다. 60hr 후에 효율이 소폭 감소가 있은 후 효율은 상대적으로 안정적이다가 1200h 후에도 초기 효율의 72%을 보였다.

140도 1시간 어닐링 테스트에서 PC60BM:P3HT은 1~20um의 큰 응집물이 나타난 반면 O-IDTBR:P3HT는 매끄러운 표면을 유지했다.

참고: http://www.nature.com/ncomms/2016/160609/ncomms11585/full/ncomms11585.html