매우 낮은 driving force을 갖는 고효율 유기 태양전지

LiU의 연구자들은 이전에 비해 매우 낮은 driving force와 빠른 전하 분리를 갖는 유기 태양전지를 개발했다. 

태양에 의해 방출된 포톤이 유기 반도체에 흡수되면 엑시톤이 생성된다. Driving force는 엑시톤을 자유 캐리어로 분리시키는데 필요한 에너지이며 도너/업셉터 물질의 밴드갭과 charge transfer(CT) state 에너지 사이의 오프셋으로 정의된다. Driving force는 결과적으로 광 전압의 저하를 낳는다. Driving force가 낮을 수록 광 전압은 증가한다. 

전통적인 고효율 유기 태양전지는 반도체 폴리머와 플러렌으로 알려진 탄소 공으로 이루어져 있다. 이 경우 driving force는 0.3 eV이다. 

연구자들은 플러렌을 반도체 저 분자 물질로 대체(도너와 업셉터간 에너지 오프셋 조절이 쉬움)하여 소자의 driving force(거의 에너지 밴드갭과 동일함)를 낮춰 0.61 V의 낮은 전압 손실에도 불구하고 Voc 1.11V인 셀 효율 9.5%을 시연했다. 또한 폴리머:저 분자 결합이 더 안정적이라는 것을 알았다.

(그림 1. a. P3TEA(도너)와 SF-PDI2(업셉터)의 화학 구조. b. blend A 기반 태양전지의 J-V 곡선. c. blend A 기반 태양전지의 EQE 곡선)

<작은 전압 손실의 원리>

Balance 이론에 기초한 태양전지의 전압 손실은 3인자에 기인할 수 있다. 
첫번째 인자는 Egap-qVocSQ이며 밴드갭 이상에서 흡수가 있을때 방사 재결합에 의한 전압 손실이다. 이손실은 모든 태양전지에서 피할수 없고 일반적으로 0.25~0.30eV이다. 
두번째 인자는 qΔVoc(rad,below gap)은 밴드갭 아래에서 흡수가 있을때 추가적인 방사 재결합에 의한 전압 손실이다. 무기 태양전지와 페로브스카이트 태양전지는 무시할 수 있는 정도이지만 P3HT:PCBM 기반 OSC는 0.67V이다. OSCs의 경우 qΔVoc(rad,below gap)가 큰 이유는 CT state가 존재하여 밴드갭을 낮추기 때문이다. qΔVoc(rad,below gap)을 최소화하기 위해서는 singlet exciton과 CT state간의 에너지 차이를 최소화하는 것이다. P3TEA가 적용된 blend A의 경우 CT state에 의한 흡수가 없어 qΔVoc(rad,below gap)가 0.07V로 무기 태양전지의 값에 비길 만 하다. 
세번째 인자는 qΔVoc(non-rad)= -kT ln(EQEEL)이며 비방사 결합에 기인한다. 이 손실을 줄이기 위해서는 EQEEL을 최대화하는 것이다. Blend A의 경우, 상대적으로 높은 EQEEL보여 전압 손실이 0.26V로서 e-beam 성막된 페로브스카이트의 전압 손실과 비슷하다. 

참고: http://liu.se/forskning/forskningsnyheter/1.698103?l=en
Fast charge separation in a non-fullerene organic solar cell with a small driving force, Jing Liu, et al. Nature energy, 27 June 2016.