분자 배향-성능 상관 관계

폴리머 PNDT-DTBT와 플러렌 혼합물 계면에서 폴리머 백본에 불소 치환과 용매 종류(CB(chlorobenzene), DCB(1,2-dichlorobenzene) 에 따른 분자 배향을 분석했다. 

표 1은 성능의 차이가 주로 Jsc와 FF의 변화의 결과라는 것을 보여준다. 이 변화의 원인은 광흡수 변화와는 무관한 내부 양자 효율(흡수된 포톤당 수집된 전하 개수) 관련이 있다. 

DMO(degree of molecular orientation)를 Jsc 또는 FF에 대해 그려보면 둘 사이에 상관 관계가 있다는 것을 알 수 있다. DMO는 BHJ 계면에서 polymer-rich 도메인의 polymer ordering의 크기와 평균 방향을 정량화한다. 

CB 용매로 공정이 이루어지면 DMO는 양의 값을 가지며 우선적으로 face-on 구성을 나타낸다. DCB 용매로 공정이 이루어지면 불소 처리된 혼합물은 더욱 강력하게 face-on을 나타내고 반면 비불소 혼합물은 약간 edge-on을 나타낸다. 그에 따라, 불소 처리된 혼합물의 소자 성능이 향상되었다. 

DMO와 용매와 재료 선택 사이의 관계는 아마 백본과 side-chain에서의 용해도 차이 뿐아니라 캐스팅 후 막 건조 동안 다른 모폴로지의 진화(nodular, fibrillar or fringed micellar)의한 용매 내에서 사전 응집의 차이와 관련이 있다.

비록 DMO와 소자 성능 간의 상관 관계가 특별하지만 결정화도, 도메인 크기 그리고 도메인 순도를 포함한 다른 모폴로지 특성이 성능에 중요한 역할을 할 수 있기 때문에 연구되어야 한다. 

특히, 폴리머 체인의 강한 𝛑-𝛑 스택은 전극으로 분자간 전하 수송을 도와주는 것으로 알려져 있다. 

PNDT-DTBT 기반 혼합물에서 원자 치환과 처리 용매와 관계없이 𝛑-𝛑 스택은 약하다. 반면, 모든 혼합물에서 CB보다 DCB로 공정이 진행되면 라멜라(lamellar) 결정의 밀도와 크기는 극적으로 증가한다. 하지만, 이 특성들과 성능간의 상관 관계는 없다.

비슷하게, 평균 조성 변화와 소자 성능간의 상관 관계 또한 약하다(그림 2b). CB에서 DCB로 바뀌면 혼합물 모두 조성 변화는 증가하지만 불소 처리된 혼합물의 경우 성능은 향상되지만 수소 처리된 혼합물은 성능이 감소한다.

소자의 모폴로지를 평가하는 characteristic length와 소자 성능간의 상관 관계도 약하다(그림 2c).

따라서 소자 성능은 모폴로지의 특성 중 결정화도, 조성 변화 그리고 characteristic length가 아닌 DMO와 상관 관계가 있다는 것을 알 수 있다.  

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