유기 벌크 이종접합 태양전지에서 분자 배향 영향

유기 벌크 이종접합(bulk heterojuction, BHJ) 태양전지에서 전자 도너와 전자 업셉터 물질이 광활성층내에 이종계면의 분산 네크워크를 형성한다. 여기서 중요한 광물리 과정이 일어난다.

하지만 이 계면의 구조적 특성에 대해 조금 밖에 알지 못하고 있다. 본 연구는 도너/업셉터 계면에 대한 분자 배향이 플러렌 기반 벌크 이종접합 태양전지의 고효율 실현에 중요한 변수라는 것을 보인다. 

연구자들은 resonant soft x-ray scattering을 이용해서 이종계면에 대해 face-on 또는 edge-on 배향을 나타내는 order parameter로 분자 배향의 정도를 특성화했다. 

분자 화학의 선택과 처리 용매의 특성을 통해 분자 배향의 정도를 조작함으로써 연구자들은 벌크 이종접합 유기 태양전지에서 이 구조 변수의 중요성을 보인다. 

고효율 소자는 BHJ 박막(100~250 nm)을 얻기 위해 전자 도너 폴리머와 전자 업셉터 플러렌 분자를 일반 용매로 부터 캐스팅하여 만들어지고 있다. 하지만 일반 용매로 캐스팅하면 종종 도메인 크기, 도메인 순도 그리고 결성성으로 분류되는 매우 복잡한 모폴로지를 이끈다(그림 1a).

모폴로지 특성에서 반도체 폴리머의 전자 궤도의 고유의 구조적 비대칭 때문에 폴리머의 결정화 정도와 전극에 대한 평균 결정 방향이 많은 유기 전기 소자의 성능에 있어서 중요한 인자이다.

이 물리화학적 비대칭에 의한 전자 업셉터 플러렌 근처의 지역 폴리머 배향이 소자 성능에 큰 영향을 주는데 이 계면에서 광유도 전하 캐리어의 분리와 결합이 일어나기 때문이다. 

이 논문은 도너/업셉터 이종계면에 대한 폴리머 배향은 BHJ 소자에서 우선적으로 face-on(그림 1b)와 edge-on(그림 1c)을 채택할 수 있고 이것이 소자 성능을 결정하는 중요한 변수라는 것을 보인다. 

Resonant soft x-ray 산란을 이용하여 폴리머 백본에 불소 치환과 용매 공정이 분자 배향에 변화를 주고 Jsc와 FF와 상관관계가 있다는 것을 알았다. 

참고: The influence of molecular orientation on organic bulk heterojunction solar cells, John R. Tumbleston, et al., Nature Photonics⎜VOL 8⎜MAY 2014.