역구조 아키텍처가 폴리머 태양전지 효율을 증가시키다

JAIST와 RIKEN Center 연구자들은 세밀하게 디자인된 물질과 역구조 아키텍처을 이용하여 효율 10.1%의 폴리머 태양전지를 개발했다. 

폴리머 태양전지는 폴리머로 만들어지기 때문에 Si 태양전지에 비해 가격이 싸고 가볍다. 또한  플렉서블하기 때문에 유리나 플라스틱 기판에 증착될 수 있어 대면적화기 쉽고 제조 비용이 낮다. 불행히도 그들의 구조에 의해 효율이 낮고 또한 더 빠른 열화가 일어나는 경향이 있다.

(그림 1 ⎜ PNTz4T, quaterthiophene naphthobisthiadiazole(NTz) copolymer의 화학 구조) 

연구자들은 electron-rich(quaterthiophene)와 electron-poor(naphthobisthiadiazole(NTz) 빌딩 블록이 교대로 있는 D-A 폴리머 PNTz4T을 이용하여 활성층의 두께가 약 300 nm(일반적인 활성층의 두께는 70~100 nm이다)인 효율 10.1%의 단일 접합 벌크 이종접합 태양전지를 만들었다. 효율 10%은 상용화를 위한 요구 조건이다.

PNTz4T 폴리머는 저밴드갭 물질이여서 장파장 영역에 흡수 밴드가 있고 이온화 포텐셜이 5.15 eV로 상대적으로 크며 폴리머 백본이 적층 거리가 ~3.5 Å인 𝛑-적층의 층상(lamellar)의 결정 구조를 갖는다. PNTz4T의 높은 결정성과 유리한 백본 방향은 폴리머 태양전지의 효율을 높인다.

(그림 2 ⎜일반적인 구조와 역구조에서의 PNTz4T 기반 셀의 광전지 특. a, b, 최고 셀의 J-V 곡선 (a) EQE 스펙트럼 (b).  c, d, 빛의 세기에 따른 Jsc (c) FF (d). 일반적인 구조: ITO/PEDOT:PSS/PNTz4T:PC61BM or PC71BM/LiF/Al. 역구조: ITO/ZnO/PNTz4T:PC61BM or PC71BM/MoOx/Ag.)

(표 1 ⎜ 최고 PNTz4T 태양전지의 특성 파라미터)



PNTz4T가 포함된 활성층의 두께를 150 nm에서 300 nm 근처로 증가시키면 일반적인 구조인 경우 Jsc는 증가하고 Voc와 FF는 약간 감소한다. 하지만 흥미롭게도 역구조에서는 FF가 증가해서 최고 효율 10.1%을 달성했다.

그들은 역구조 아키텍처(빛이 투명 음극 전극(ZnO)으로 입사한다)일때 일반 아키텍처에 비해 효율이 더 좋다라는 것을 알았다.

그 이유를 알기 위해 그들은 Harima에 있는 SPring-8 싱크로트론 설비를 이용해서 물질의 조성을 분석했는데 역구조 모델 일때 폴리머는 대부분 "face-on" 결정 방향을 가지면서 face-on 결정이 활성층 내부와 top 접촉에 풍부하고 edge-on 결정은 bottom 접촉에 풍부하다는 것과 활성층의 두께가 두꺼울 수록 face-on 결정이 증가한다는 것을 알았다. 이렇게 되면 전자와 홀의 재결합을 감소시키고 그들의 이동을 좋게 하여 Jsc와 FF가 향상된다. 

역구조일 때 face-on 결정이 많은 이유는 활성층이 코팅되는 표면 특성과 관련이 있는데 ZnO 표면이 PEDOT:PSS 표면에 비해 DCB(o-dichlorobenzene)의 젖음성이 크기 때문이다. DCB는 본 연구에서 사용된 PNTz4T/PCBM 잉크를 만들기 위한 용매이다.

(그림 4 ⎜ PNTz4T/PC61BM 혼합 필름의 개략도. a, Bottom과 top interlayer가 각각 PEDOT:PSS와 LiF인 일반적인 셀. b, Bottom과 top interlayer가 ZnO와 MoOx인 역구조 셀. Face-on  결정의 수가 일반적인 셀에 비해 역구조 셀일 때 더 많다. 두 경우 모두, edge-on 결정의 개수가 bottom에서 많고 face-on 결정의 개수는 top 계면으로 갈 수록 많다.)

두꺼운 활성층 두께를 갖는 PNTz4T 기반 역구조 셀의 현저하게 높은 성능은 매우 높은 수직 홀 수송 특성(μ(h) = 2.3 × 10^-3 cm^2 V^-1 s^-1)과 잘 균형 잡힌 홀과 전자 수송 특성과 관련이 있다.

높은 수직 홀 수송 특성은 짧은 𝛑-𝛑 스택 거리와 face-on 결정 방향을 갖는 높은 결정 구조에서 기인한다.

참고: http://www.asianscientist.com/2015/06/in-the-lab/inverted-architecture-boosts-polymer-solar-cell-efficiency/. Efficient inverted polymer solar cells employing favourable molecular orientation, Varun Vohra, et al., Nature Photonics, VOL 9, JUNE 2015.