도너 폴리머와 업셉터 폴리머를 서로 혼합한 all-polymer는 이종접합 유기 태양전지에서 최고의 도너/업셉터 물질 조합 중 하나다. 그런데 all-polymer일때 도너 폴리머의 낮은 결정화도와 큰 도메인 크기로 인해 소자 성능 저하가 일어난다.
(그림 1 ⎜ 프린팅된 all-polymer 태양전지의 마이크로 상 분리 제어를 위한 Fluence 기술.(a) 용액 전단 플랫폼에 구현된 Fluence 방법. (b) 이종접합 태양전지에서 마이크로 상 분리된 모폴로지의 도식도와 본 연구에 사용된 전자-도너와 전자-업셉터 폴리머의 분자 구조. (c) 나노구조 프리팅 날의 SEM 이미지. 흰 점선은 xy 평면에서 시뮬레이션 박스의 크기를 나타낸다. (d) 마이크로 구조 프린팅 날과 기판사이의 flow field를 보여주는 Finite element simulation 결과이다. 시뮬레이션에서 프린팅 속도는 50 um/s이다. 유체 속도의 색 눈금이 오른쪽에 있다. 이 경우 flow는 프린팅 운동 대신 용매 증발에 의해 주로 구동된다. 절단 평면(중앙 이미지)은 기판과 평행한 면이고 프린팅 날과 기판의 z 방향으로 대략 등거리에 있다. 확장과 전단 흐름하에서 폴리머 형태 변화, 정렬과 응집/결정화가 flow field 안에 도시되어 있다.)
Stanford 대학 연구자들은 이 문제를 풀기 위해 나노 크기의 갈퀴(rake)로 만든 날을 이용한 fluence 기술(fluid-enhanced crystal engineering)을 개발했다.
갈퀴은 1.2 um 간격으로 밀집되어 있고 높이는 1.5 um이며 기존 폴리머 시스템에 맞게 조정 가능하다. 새로운 폴리머 시스템일때는 갈퀴는 다른 효과를 낼 수 있다.
그들은 fluence 기술을 이용해서 도너 폴리머 박막의 결정화도 증가와 도너와 업셉터 도메인 크기를 감소시켜 exciton 확산 거리 증가, 전하 캐리어 이동도 증가, 그리고 광흡수율 증가를 이뤘다. 이렇게 해서 셀의 Jsc, FF, 그리고 Voc가 향상됐고 제조된 셀 간 성능 변화를 상당히 감소시켰다.
Fluence 기술은 상용화하기에는 낮은 인쇄 속도가 문제다. 인쇄 속도 증가를 위해 용매와 작업 온도의 적당한 선택이 필요하다.
참고:http://www.nature.com/ncomms/2015/150812/ncomms8955/full/ncomms8955.html
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