유기 태양전지(organic solar cells, OPV)에서 도너 물질

현대의 유기 태양전지(OPV)는 본격적으로 1986년에 Tang 셀로 부터 시작한다. Tang 셀은 광활성층이 도너로 copper phthalocyanine과 업셉터로 diimide 파생물로 이루어진 이중층 평면 구조의 소자이다. 이 소자는 상당히 큰 FF에도 불구하고 AM 2 광조사에서 효율 ~1%을 나타냈다. 

1992년에 UC Santa Barbara의 연구자들은 빛에 의해 전자가 MEH-PPV에서 C60으로 이동하는 것을 입증했다. 이 연구가 공액 유기 폴리머를 이용한 최초의 플라스틱 태양전지이다. 

1995년에 용해성이 있는 플러렌 파생물인 PCBM이 소개 되었는데 이 때 폴리머/플러렌 벌크 이종접합(bulk heterojunction, BHJ)의 개념이 정의 되었다. 

사실상 모든 OPV는 활성층의 볼륨 내에서 전하 분리 계면의 면적을 최적화 하기 위해 BHJ 전략을 이용한다. 

초기의 플라스틱 태양전지는 MEH-PPV을 이용했다. MEH-PPV와 파생물인 MDMO-PPV는 side chain의 간격이 정확히 플러렌이 끼어 들어 갈 수 있는 적당한 크기여서 물질 상에 친밀한 π-π 접촉을 제공해서 전하 이동을 향상시킨다. 

McCullough et al.은 규칙 배열된(regio-regular) poly(3-hexylthiophene)(rr-P3HT)을 개발 했는데 이 물질의 에너지 밴드갭이 태양광 스펙트럼과 매칭시 약간 컸다. 그리고 hexyl side-chains의 Van der Waals 상호작용이 결정 도메인의 형성을 위한 강한 구동력을 제공하고 HOMO와 LUMO 준위는 PCBM 준위와 상당히 잘 매칭된다. 

결과적으로 rr-P3HT/PCBM은 재현 가능한 효율 ~5%의 소자을 만들 수 있다. 

대부분의 현재의 공액 고분자는 약한 전자 친화력과 강한 전자 친화력을 특성을 갖고 있는 공중합체(co-polymer)을 추구한다. 전자 친화력이 약한 고분자는 HOMO 준위를 높이고 전자 친화력이 큰 고분자는 LUMO 준위를 낮춰 밴드갭을 좁게하고 업셉터인 플러렌의 에너지 준위와 매칭시킨다. 

이렇게 하면 OPV 소자의 효율을 5~10% 범위에서 달성할 수 있고 최근 텐덤 OPV에서 효율 10%을 초과했다. 

                                    (그림 3)

그림 3은 모범적인 폴리머/플러렌 OPV 소자의 도식도이다. 그림 3에서 위 소자는 역구조 소자 구조인데 Ag 애노드가 홀을 수집하고 ITO 캐소드가 전자를 수집한다. 역구조는 반응성의 캐소드 물질 없이 OPV 소자를 만들 수 있어서 상용화 면에서 바람직 하지만 최근 까지 효율의 개선이 지지부진하다. 

 역구조는 poly(vinylpyrrolidone, PVP)에 있는 ZnO와 애노드에 MoO3에 의해 가능하다. 

그림 3의 아래 소자는 3중 접합 아키텍처를 보여준다. 다중 접합 OPV는 서로 다른 활성층으로 탱양광 스펙트럼의 서로 다른 부분을 포획할 수 있는 장접이 있다. 

참고: 참고: modern plastic solar cells: materials, mechanisms and modeling, Ryan C. Chiechi, et al, Materials Today-Volume 16, Numbers 7/8* July/August 2013.