응집과 모폴로지 제어가 고효율 폴리머 태양전지(효율 10.8%, FF 77%)를 만들다

연구자들은 새로운 반도체 도너 폴리머 족에서 온도 제어 응집 거동이 더 싸게 양산될 수 있는 고효율 유기 태양전지(OPVs) 제조에 핵심이라는 것을 알았다. 

OPVs는 도너와 업셉터 물질 시스템의 2 구성 요소로 되어 있으며, 플러렌 선택에 덜 민감한 도너-업셉터 혼합물의 모폴로지를 제어하는 것과 우수한 광학적 전기적 특성을 갖는 최적의 물질 조합을 찾는 것은 고효율 유기 태양전지 개발에 있어서 매우 중요하다.

지난 몇년 PSCs의 최고 효율은 3가지 도너 폴리머(불소가 첨가된 thieno[3,4-b]thiophene 기반한 특정 폴리머 족, 예를 들어 PTB7)에서 나왔다. 그런데 특정 플러렌인 PC71BM와 함께 사용해야 하는 단점이 있다.

PTB7족 폴리머 사용에 있어서 또 다른 제약은 두꺼운 막(~300 nm)을 만들기 어렵다는 것이다. 그 이유는 PTB7 폴리머의 낮은 결정성과 관계된 상대적으로 낮은 홀 수송 능력 때문이다. 또 다른 이유는 PTB7 기반 물질 시스템은 상대적으로 불순한 폴리머 도메인을 갖고 있어서다.

따라서 후막 PSCs 위해 폴리머 결정성이 높고 충분히 순수한 폴리머 도메인을 갖는 최적에 가까운 PSCs 모폴로지를 보이는 새로운 재료 시스템이 필요하다. 높은 폴리머의 결정성은 우수한 홀 수송 능력을 띄게 하는데 충분히 순수한 폴리머 도메인과 결합되면 활성층 300 nm 두께에서도 높은 FF 및 효율을 나타낼 수 있다.

일반적으로 셀은 폴리머와 플러렌 혼합물에 용매를 첨가하여 용액으로 만든 후 이 용액을 표면에 뿌려 만든들어 진다.   

용매 증발로 도너 물질이 작고 매우 규칙적인 덩어리로 경화되어 얇은 막이 형성된다. 이 덩어리는 다른 덩어리 그리고  불규칙적인 도너 분자와 연결되고 플러렌이 이들을 엮는다. 

연구자들은 유기 태양전지의 모폴로지를 연구했는데 도너 층내의 덩어리 크기 규모와 응집(층 내의 이웃 분자간의 상호작용)이 효율에 주요 동력이라는 것을 알았다. 

그들은 소자 내의 덩어리의 크기 규모와 응집이 온도에 강하게 의존한다는 보였고 결정성이 높으나 작은 도메인을 상당히 포함하는 거의 이상적인 폴리머-플러렌 모폴로지 형성을 통해 다수의 폴리머-플러렌 조합에서 10.8% 효율의 후막 폴리머 태양전지를 얻었다.

연구자들은 서로다른 3가지 도너 폴리머와 10개 조합의 폴리머:플러렌에 기반한 거의 완벽에 가까운 모폴로지의 후막 PSCs를 만들었다.

우수한 모폴로지는 캐스팅 동안 도너 폴리머의 온도 의존 응집 거동 통해 제어되고 플러렌 종류에 민감하지 않다.

몇몇 비슷한 구조의 폴리머에 대한 비교 연구는 quaterthiophene에 붙어 있는 2-octyldodecyl(2OD) alkyl 체인이 구조를 특징 짓는 핵심이라는 것을 보여 준다. 2OD alkyl 체인은 높은 온도에서 폴리머 용액 공정을 허용하는 폴리머의 높은 온도 의존 응집 거동을 야기하고, 더 중요한 것은 막 냉각과 건조 공정시 폴리머의 결정성과 모폴로지를 결정한다. Branched alkyl 체인의 크기와 branching 위치는 최적의 응집 거동을 얻는데 매우 중요하다.

참고: http://news.ncsu.edu/2014/11/efficient-solar-cell/,
 Aggregation and morphology control enables multiple cases of high-efficiency polymer solar cells, Yuhang Liu, et al, Nature Communications⎜5:5293⎜DOI:10.1038/ncomms6293