삼원 혼합물 폴리머 태양전지의 향상된 광변환 효율(8.22%)

유기 태양전지의 활성 영역은 빛에 노출되었을 때 전류 생성을 위해 전자를 주고 받는 폴리머-플러렌 혼합물로 구성되어 있다. 

(그림 1⎜ 물질 특성과 소자 구조. a, 사용된 물질의 화학적 구조. b, 삼원 소자에 사용된 물질의 에너지 준위. c, 태양전지 소자 구조. c, 활성층 물질의 UV-VIS 흡수 스펙트럼.)

연구팀은 소위 PID2라는 폴리머를 표준 폴리머(PTB7)-플러렌(PC71BM) 혼합물에 첨가하여 8.22%의 효율을 얻었다(Jsc 16.8 mA/cm2, Voc 0.72 V, FF 68.7%). 그들의 유기 태양전지의 활성층은 2개의 폴리머와 1개의 플러렌으로 이루어져 있다. 

그들은 PID2 첨가가 소자 내의 광흡수 증가 뿐아니라 폴리머 사이와 셀에 걸쳐 전하 분리와 수송이 향상되어 Jsc가 증가 되었다는 것을 알았다. PID2 첨가가 혼합물 내에 섬유 형성을 야기하여 전자 이동도를 향상시킨 것이다. 

태양전지가 전류를 만들기 위해서는 소자내에서 전자는 폴리머에서 플러렌으로 반드시 이동해야한다. 하지만, 표준 폴리머-플러렌의 전자 에너지 준위 사이의 차이는 전자 이동이 힘들 정도로 충분히 크다.  

PID2의 에너지 준위는 폴리머와 플러렌의 에너지 준위 사이에 위치해서 중간 다리 역할을 한다.

그림 1d에서 PTB7:PCBM 혼합물에 PID2 함량을 증가시키면 450~650 nm에서 광흡수는 증가하는 반면 동시에 650~750 nm의 광흡수는 감소한다는 것을 알 수 있다.

(그림 2⎜ 삼원 소자의 광전지 성능. a,전류-전압 특성. b, EQE 곡선. 광전류 밀도-유효 전압 특성. d, Jsc-광량 특성)

그림 2에서 PID2의 첨가량이 10% 또는 30%일때 Jsc가 크게 증가하고 PID2가 지배적인 도너 폴리머가 되면 Jsc가 감소한다는 것을 알 수 있다.

PID2 10% 첨가시 UV-VIS 광흡수 곡선과 다르게 EQE 곡선에서는 전체 파장에서 Ref.(PID2 0%)에 비해 EQE가 높다는 것을 알 수 있고 특히 400~550 nm에서 EQE가 가장 많이 증가했다. 이 파장 범위는 PID2에 의한 광흡수 증가 파장대인 450~650 nm와 일치하지 않는다.

그러면 왜 PID2 10% 첨가시 Jsc가 증가했느냐는 의문이 생긴다. 연구자들은 PID2의 소량 첨가가 HOMO 오비탈을 통해 PTB7와 PCBM 사이에 홀 릴레이 역할을 하기 때문이라고 설명했다.

PTB7과 PCBM 사이의 HOMO 에너지 준위차는 ~0.95 eV인데 효과적인 홀 이동을 위해서는 너무 크다. PID2의 HOMO 준위가 이 두 유기 물질의 HOMO 준위의 중간에 거의 위치해서 PCBM으로 부터 효과적인 홀 추출을 위한 cascade HOMO 에너지 준위를 형성한다.

참고: http://phys.org/news/2014-09-team-solar-cell-efficiency.html