저 밴드갭 폴리머 태양전지 제조를 위한 나노임프린트 리소그래피(NIL)

유기 태양전지 효율이 낮은 이유 중 하나는 짧은 엑시톤 확산 거리 10 nm 내에서 도너-업셉터 상 분리(전하 분리와 관련)와 높은 홀 이동도(전하 수송과 관련)를 동시에 실현하기 힘들기 때문이다.  

가장 널리 사용되고 있는 램덤한 상을 만드는 벌크 이종접합 구조는 심각한 전하 재결합을 야기하고 있다. 

이 문제는 P3HT/플러렌 태양전지에 보통 행해지는 열 또는 solvant vapor 어닐링으로 해결되기 어렵다는 것이 입증되고 있다.

비록, 첨가제인 1,8-octanedithiol이 도너와 업셉터 도메인 분리에 도움을 주지만 이 방법에 어한 분리는 정밀하게 제어될 수 없다.

(PCPDTBT/C70 이종접합 공정 흐름: (a와 b) PCPDTBT 나노회절격자를 위한 NIL; (c와 d) PCPDTBT 나노회절격자의 위에 C70 도포)  

UT Dallas의 연구자들은 나노입프린트 리소그래피(nanoimprint lithography, NIL)가 위 문제 해결에 효과적 기술이라는 것을 보였고 저 밴드갭 폴리머(PCPDTBT, 밴드갭 1.4 eV)에서 5.5%의 효율을 얻었다.

NIL은 유기 태양전지에 나노 모폴로지를 정밀하게 형성하기 위한 효과적인 제조법으로 대두되고 있다.

효율은 나노회절격자의 높이가 높을 수록,  PCPDTBT/C60 접합 면적이 클 수록, 그리고 나노격자폭이 좁을 수록 증가했다. 

그들의 이전 연구에서 나노임프린트 P3HT 태양전지에서에 3~4%의 효율을 보였는데  같은 폴리머로 다른 그룹이 보인 >4% 효율보다 낮았다.

특히, P3HT 폴리머의 흡수와 태양광 스펙트럼 사이에 부조화가 있는데 태양광의 최대 광속은 1.6~1.8 eV에 있는 반면 P3HT는 상대적으로 큰 밴드갭1.9~2.0 eV을 나타내기 때문이다. 밴드갭 1.3~1.5 eV가 폴리머-플러렌 태양전지에서 이상적이다.

새로운 연구에서 그들의 기술이 적용된 저 밴드갭 공액 폴리머(PCPDTBT) 나노회절격자로 5.5%의 효율을 얻었기 때문에 NIL이 저 밴드갭 폴리머 태양전지에 더 잘 작동한다는 알 수 있다.  NIL은 PCPDTBT 체인을 더 강하게 상호작용하게 만들어 향상된 구조적 정렬을 형성한다. 

나노임프린팅 공액 고분자로 부터 제어된 체인 정렬 뿐아니라 이연속성(bicontinuous) 그리고 서로 얽힌 이종접합을 얻을 수 있는데 나노임프린트가 체인 정렬을 유도하고 그 뒤 플러렌이 폴리머 나노구조 패턴내로 스며 들어가는 것이다.

참고: http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=38076.php, http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/am505303a