벌크 이종접합 유기 태양전지의 효율

현재 제품으로 나온 유기 태양전지 모듈의 효율은 1.5~2.5% 정도이다. 유기 태양전지의 사업이 커질려면 모듈 효율은 ~6%은 되어야 한다.

유기 태양전지의 내구성(수명)이 지난 10년 동안 엄청나게 향상되었다. 초기의 셀은 불활성 분위기에서 보관되어야 했는데 그 이유는 태양광에 노출에 빠르게 성능이 저하되기 때문이다. 하지만 오늘날의 소형 플렉서블 유기 태양전지 모듈은 몇년의 동작 수명을 갖는다. 

광활성 물질의 교묘한 디자인이 유기 흡수층의 광화학적 안정성을 향상시키지만 엄격한 encapsulation이 장기 안정성에 꼭 필요하다. 

Manceau et al.은 인공 광원과 외부 환경에서 반도체 폴리머에 대한 광화학적 안정성을 연구 했는데 side chain을 포함한 분자 구조가 광화학적 안정성에 강한 영향을 미친다는 것을 알았다. 

Tromhot et al.과 Hoke et al.은 광조사와 외부 환경하에서 유기 반도체 도너/업셉터 혼합물의 광화학적 안정성을 연구했다. 그들은 업셉터의 전자 친화력이 반도체층의 열화율을 결정한다는 것을 발견했다. 

대안적인 소자 디자인의 개발이 소자의 안정성을 상당한 향상시킨다.

(그림 5. 벌크 이종접합 태양전지의 서로 다른 소자 아키텍처. (a) 전면에 캐소드가 있는 표준 소자 디자인. (b) ITO 위에 캐소드가 있는 반저 소자 아키텍처)


초기 소자는 일함수 낮은 금속(Ca, Ba, Al)을 캐소드로 이용했는데 산소와 물에 노출되면 바로 산화되어 효율이 급작스럽게 감소하는 결과를 낳았다. 

위와 같은 캐소드 금속의 빠른 열화를 극복하기 위해 반전 디자인이 제안되었는데 낮은 일함수 금속을 투명 산화물인 ZnO 또는 TiO2 또는 얇은 중간층으로 변형된 안정적인 전극으로 대신한 것이다. 애노드 물질으로 Ag와 Au 또는 홀 주입층 PEDOT:PSS을 사용했다. 

반전 소자의 추가적인 이점은 모든 층을 용액으로 부터 코팅할 수 있어 진공 공정이 필요없다는 것이다. 

참고: Efficiency of bulk-heterojunction organic solar cells, M.C. Scharber, N.S. Sariciftci, Progess in polymer Science 38 (2013) 1929-1940