고효율 유기 태양전지를 위한 저밴드갭 폴리머를 디자인하는 방법

유기 태양전지에 있어서 폴리머의 화학적 구조와 물리적 특성 사이에 예측 이해(predictive understanding)를 정립하는 것은 아직까지도 도전적이다. 

이 리뷰 논문은 폴리머/플러렌 시스템의 최근 연구 동향을 보여주고 밴드갭을 엔지니어링과 에너지 준위를 튜닝과 대상 고분자의 용해도를 증가시키기 위한 4가지 합성 원리를 설명한다.  

두 형태의 활성 물질이 유기 태양전지에서 연구되고 있다. 첫번째 것은 도너-업셉터 물질의 다중층이고 다른 하나는 도너와 업셉터 분자를 포함하는 합성물에 기반하고 있는데 이를 소위 벌크 이종접합(bulk heterojunction, BHJ) 물질이라고 한다. 

가장 각광 받고 있는 유기 태양전지는 전자 공여성 공액 고분자와 전자 구인성 플러렌의 합성물에 기반한다. 공액 폴리머와 플러렌 혼합물로 만들어진 유기 태양전지의 효율은 9% 이상에 달한다. 

유기 태양전지의 성능 향상에 있어서 가장 중요한 것은 재료 개발이다. 

유기 태양전지란?

저밴드갭 폴리머가 주로 도너 물질로 사용되고 플러렌 파생물인 PC71BM이 널리 업셉터 물질로 사용된다. PC71BM은 상대적으로 전자 친화도와 전하 캐리어 이동도가 높다. 

유기 태양전지의 동작은 4 단계를 통해 일어난다. (1) 광흡수와 엑시톤 형성 (2) 엑시톤 마이그레이션  (3) 엑시톤 분리 (4) 전하 수송과 수집

큰 흡수 계수와 매우 낮은 전하 이동도에 의해 전기활성막의 두께는 100 nm가 적당하다. 

포톤 흡수시 유기 반도체의 낮은 유전 상수에 의해 엑시톤이 형성되고 엑시톤은 도너와 엑시톤 계면으로 이동한다. 이 계면에서 엑시톤은 분리된다. 

엑시톤의 수명이 짧기 때문에 엑시톤의 마이그레이션 거리는 제한적(~10 nm)이다. 그래서 BHJ 태양전지에서 모폴로지를 제어하는 것이 매우 중요하다. 

소자에 대한 추가 연구 결과, 홀과 전자를 차단하는 층을 활용하는 것이 고효율 달성에 효과적이라는 것을 알았다. 

폴리머의 광흡수 윈도우를 다재다능하게 튜닝할 수 있기 때문에 전체 태양 스펙트럼 범위의 에너지를 더 많이 수확하기 위해 텐덤 구조가 매력적인 옵션될 수 있다.  

참고: How to design low bandgap polymers for highly efficient organic solar cells, Tao Xu and Luping Yu, Materials Today, Volume 17, Number 1, January/February 2014.