벌크 이종접합 유기 태양전지 소자 기초

벌크 이종접합 태양전지의 흡수층은 유기 반도체인 도너와 업셉터 분자로 만들어진다. 도너는 공액 고분자, 올리고머 또는 공액 안료이고 업셉터는 대부분 플러렌 파생물이다. 

포톤 흡수에 의해 생성된 엑시톤은 유기 물질의 저유전율로 인해 자유 캐리어로 분리되기 어렵다. 

유전상수가 3~4인 물질내에서 1 nm 떨어진 전자와 홀의 쿨롱 결합 에너지는 0.35~0.5 eV이다. 이 에너지는 상온의 열에너지 보다 크기 때문에 자유 전하 캐리어 생성을 촉진시키기 위해 전자 업셉터 분자가 유기 반도체 도너에 첨가될 필요가 있다. 

도너와 업셉터 물질의 LUMO 준위 에너지 또는 전자 친화력의 차이가 전자를 도너에서 업셉터로 신속히 이동시키는 구동력이다. 

유기 반도체에서 엑시톤의 수명이 <1 ns로 상대적으로 매우 짧기 때문에 효율적인 전하 생성을 위해서는 전하 분리가 매우 빨리 일어나야 한다.  

효율적인 전하 생성을 위한 2번째 전제 조건은 엑시톤이 가장 가까운 도너/업셉터 계면에서 엑시톤 확산 거리 안에 생성되어야 한다. 

엑시톤 확산 거리른 10 nm이니깐 도너와 업셉터 moieties가 나노 규모로 서로 섞여야 한다는 것을 의미한다. 

이 통찰은 1995년에 Yu et al.이 벌크 이종접합 컨셉을 만드는 계기가 되었다. 이 컨셉은 어떤 도너와 업셉터 물질을 섞느냐도 중요하지만 도너-업셉터 혼합물의 나노-모폴로지를 제어하는 것이 중요하다.

벌크 이종접합의 이상적인 나노-모폴로지가 어때야 하는지 대한 완전한 합의는 여전히 없다. 

도너 물질 안에 업셉터 물질을 매우 미세하게 분산시키면 전하 생성은 좋지만 전하 수송은 나쁘다(그림 4a).

이상적인 전하 수송은 이중층 스택으로 도너와 업셉터 물질을 배열시키는 것이다(그림 4b). 다른 한편으로는 전하 생성은 두 층 사이의 계면에서만 일어나고 전반적으로 나쁘다.

모폴로지 시뮬레이션 결과, 그림 4c가 이상적인 성능을 내기에 가장 좋은 모폴로지로 나타났다. 매우 잘 정렬된 도너와 업셉터 도메인은 매우 우수한 전하 수송을 보증한다. 엑시톤 확산 거리의 2배의 도메인 넓이는 동시에 효과적인 전하 생성을 용이하게 한다.

하지만, 나노 패턴 모폴로지는 만들기가 힘들고 소자 제조 과정에서 도너와 업셉터의 상 분리가 다반사로 일어나다.

실질적인 벌크 이종접합 태양전지의 단면이 그림 4d에 나타나 있다. 연걸된 도메인의 크기는 수십 나노 미터 정도이다.

도너와 업셉터 사이의 계면적을 최적화하기 위한 몇몇 방법이 있다. 열처리, 적합한 용매 사용, 그리고 첨가제(diiodooctane 또는 dithiols) 사용이 그것이다.

나노-모폴로지는 주어진 물질 조합의 최적화에 매우 중요하지만 종합적으로 보면 소자 효율에 큰 영향을 미치지는 않는다.

유기 태양전지의 효율은 도너와 업셉터 moieties의 광학 밴드갭과 전자 친화력 차이에 의존한다. 

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