유기 태양전지의 작동과 기본 원리

일반적인 유기 태양전지에는 유리 또는 플라스틱 기판 위에 투명 애노드로써 일함수가 큰 ITO가 앏게 코팅되어 있고  광활성층이 애노드와 맨 위층인 일함수가 낮은 캐소드(보통 Al 또는 Ca) 사이에 샌드위치되어 있다.  

소자의 성능 향상과 안전적인 작동을 위해 계면층이 애노드-광활성과 캐소드-광활성층 사이에 삽입될 수 있다. 

효율적인 작동을 위해 광활성 혼합물은 도너와 업섭터 도메인이 상호 관통하는 네크워크를 형성해야 하고 또한 상당히 큰 계면적을 나타내야 하고 업셉터 영역에서 캐소드 그리고 도너 영역에서 애노드를 연결하는 효과적인 여과 경로(percolation pathway)가 만들어 져야 한다. 

몇몇 핵심 프로세스는 최적화되어 한다: (1) 홀-전자 쌍(exciton) 생성을 위한 광흡수; (2) 도너-업셉터 계면으로 exciton 확산 후 자유 캐리어로 분열; (3) 내부(built-in) 전기장에 의한 접촉(contact) 쪽으로 홀(도너 내에 있는)과 전자(업셉터 내에 있는)의 이동; (4) 전극에서 전하 수집 ; 기타로써 exciton quenching, 전하 재결합, 그리고 전하 누설 

유기와 무기 셀 사이의 큰 차이점은 exciton 결합 에너지인데 Si의 exciton 결합 에너지(~0.1 eV)가 일반적인 유기 반도체의 것(~0.5 eV) 보다 낮다.

따라서 유기 태양전지에서는 exciton은 광활성 물질 계면에서만 분리될 수 있다.  

소자의 효율과 안정성을 높이기 위해 광활성 물질은 LUMO와 HOMO 에너지 준위, 태양광 흡수, 그리고 혼합물의 모폴로지/나노구조가 세심하게 튜닝되어야 한다. 

특히 도너 물질의 광흡수 강도는 플러렌 기반 셀에서 핵심적인 역할을 한다.  

광생성된 엑시톤은 도너/업셉터 계면으로 반드시 이동되어야 하는데 exciton 확산 거리에 달려 있다. 대부분의 유기 물질의 확산 거리는 ~10 nm 정도이다. 

엑시톤이 그 계면에 도달하면 전하 이동(charge transfer)이 반드시 일어나야 한다.  전하 이동은 전자가 도너의 LUMO 준위에서 업셉터의 LUMO 준위로 이동하는 것인데 이를 위한 구동력은 엑시톤의 결합에너지와 대략 비슷해야 한다. 

효율적인 전하 이동을 위해 업셉터의 LUMO 준위는 도너의 LUMO 준위 보다 충분히 낮아야 하는데 이럴 경우 도너의 HOMO 준위와 업셉터의 LUMO 준위 사이의 갭이 좁아져 Voc가 떨어질 수 있다. 

따라서 업셉터의 LUMO의 튜닝은 전념을 바쳐야 할 일이 될 수 있다. 

참고: Polymer donor-polymer acceptor (all-polymer) solar cells, Antonio Facchetti, Materials Today, Volume 16, Number 4, April 2013.