고성능 소재로 가기 위한 합성 원리(유기 태양전지)

밴드갭이 1.1 eV(1100 nm)이면 일사량의 77%을 흡수하는 능력이 있지만 반도체 폴리머은 밴드갭이 2 eV(620 nm)이상 이기 때문에 태양광 에너지의 30% 밖에 이용할 수 없다. 

태양광 에너지를 최대한 많이 수확하기 위해 thiophene moiety가 들어 있는conjugated polyaromatic 폴리머가 밴드갭을 1.0~2.0 eV으로 튜닝하기 위해 개발되고 있다.

에너지 준위를 튜닝하는 것과 마찬가지로 용해도 역시 고효율을 달성하는데 매우 중요하다. 

따라서 폴리머를 위한 전략은 용해도와 에너지 준위를 모두 튜닝하는 것은데 다양한 치환기(substituents)을 폴리머 백본에 붙이고 전기 활성층의 성능과 모폴로지를 최적화하는 것이다. 

몇몇 유망한 단위체 구조를 그림 3에 도시해 놨다. Stille 커플링 중축합(polycondensation)응축 기술이 thiophen이 포함된 폴리머를 합성하기 위해 널리 이용되고 있다. Suzuki 커플링 반응은 phenyl 반복 단위를 갖는적 폴리머를 만드는데 사용된다. 

fused heterocycles

fused heterocylces는 매우 중요한 단위체의 클래스인데 폴리머의 주 체인에 대한 fused ring의 방향성에 따라 낮은 밴드갭 또는 높은 캐리어 이동도를 얻을 수 있다. 

Polyisothianaphthlene(PITN)이 폴리머은 백본에 수직으로 fused 링이 있는 최초의 잘 알려진 좁은 밴드갭 폴리머이다. 

PITN의 메인 체인은 benzene 방향족(aromaticity)을 유지하기 위해 quinoidal mesometric 구조를 이룰려는 경향이 있다. 결과적으로 1 eV 만큼 낮은 밴드갭을 얻는 것이 가능하다. 

태양전지 응용에서 가장 성공적인 저밴드갭 폴리머는 fused thienothiophene(TT) moiety 기반한다. 밴드갭이 1.6 eV 만큼 낮은 TT와 benzodithiophene(BDT) moiety을 교대로 해서 태양전지 효율 5%을 얻었다. 

Benzothiadiazole과 pyridalthiadiazole 둘다 carbazole(PCDTBT) 또는 cyclopentadithiophene 형태의 유닛(PCPDTBT, PSBTBT 그리고 PCPDTPT)과 공중합될때 저밴드갭 폴리머를 위해 단량체(monomers) 널리 사용되고 있다. 이들 폴리머와 PC71BM과 혼합하여 제조된 일반적인 소자 아키텍처에서 5~7%의 효율을 보인다. 

fused 링이 있는 단량체(BDT, carbazole, 그리고 cyclopenetadithiophene)또한 저밴드갭 폴리머 위한 유용한 단위체이다. 그 이유는 그들의 동일평면성(coplanarity) 때문이다. 

1.2 eV 만큼 낮은 밴드갭의 폴리머는 bithiophene이 ketal 족(PCPDT)의 sp3 탄소에 의해 가교될 때 얻어진다. 

 Cao et al은 두개의 benzothiadiazole(BT)을 하나의 naphthobisthiadiazole(NT)에 용해시켜 PBDT-DTBT와 PBDT-DTNT을 만들어 각각 효율이 2.1%와 6.0%의태양전지를 만들었다. 

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.