포톤 에너지 손실이 적은 폴리머 태양전지

폴리머 태양전지(PSCs)가 직면한 중요한 문제는 어떻게 폴리머/플러렌 혼합물의 에너지 준위를 제어해서 Jsc와 Voc를 동시에 최대로 하느냐이다. 하지만 Jsc와 Voc 사이에 상충관계에 있다는 것은 잘 알려진 사실이다.

이 상충관계의 해결은 포톤 에너지 손실(Eloss)을 줄이는 것이다. Eloss는 Eg - eVoc 이다. 여기서 Eg는 반도체 폴리머의 광 밴드갭이다. 최근 보고된 고효율 PSCs의 Eloss는 보통 0.7~1.0 eV 이다. 이것은 무기 태양전지와 페로브스카이트 태양전지의 0.4~0.5 eV에 비해 크다.  

아주 최근 밴드갭 1.47 eV의 pyridylthiadiazole 기반 폴리머 태양전지에서 Eloss 0.6 eV와 Voc 0.86 V을 얻었다. 바로 직후 Eg 1.44~1.53 eV의 DPP-2Tz을 사용해서 Eloss를 0.55 eV로 감소시켜 Voc를 0.92 V로 높혔다. 이들 폴리머는 잠재적으로 Voc와 Jsc 모두 높은 값을 낼 수 있지만 Voc와 Jsc의 상충관계로 인해 Jsc가 상대적으로 낮아 효율은 5~6%로 제한됐다. 

Jsc와 Voc의 상충관계는 폴리머와 플러렌 사이의 분자 오비탈 준위의 매칭과 관련이 깊다. Jsc와 Voc 둘 다 높은 값을 얻기 위해 폴리머의 Eg 작고 HOMO 준위는 깊어야 한다. 하지만 이는 불가피하게 LUMO 에너지 준위를 낮추어 폴리머와 플러렌 사이의 LUMO의 에너지 오프셋을 감소시켜 광유도 전하 분리가 효과적으로 일어나지 않는다.  

(그림 1 ⎜폴리머의 구조와 특성. (a) PNTz4T와 PNOz4T의 화학 구조. (b)Chlorobenzene 용액으로 부터 스핀 코팅된 PNTz4T와 PNOz4T 박막의 자외선-가시광 흡수 스펙트럼. (c) PNTzNT, PNOz4T 박막, PC61BM와 PC71BM 용액의 cyclic voltammograms. (d) Cyclic voltammetry로 부터 예측된 PNTzNT, PNOz4T, PC61BM 그리고 PC71BM의 에너지 다이아그램.) 

최근, 그들은 좁은 밴드갭 D-A 폴리머 PNTz4T를 이용해서 Jsc 19.4 mA/cm2, Voc 0.71~0.74 V, 효율 10.1%을 얻었다. Voc가 제한적인데 그 이유는 HOMO 에너지 준위가 -5.15 eV로 적당히 깊기 때문이다. 결과적으로 이 시스템의 Eloss는 0.82~0.85 eV였다. 

이번에 그들은 좁은 Eg 1.52 eV와 깊은 HOMO와 LUMO 에너지 준위를 갖는 D-A 폴리머 PNOz4T(quaterthiophene+NOz)와 PCBM을 결합해서 Voc가 ~1 V이고 효율 8.9%인 역구조 PSCs(ITO/ZnO/PNOz4T:PCBM, ~200 nm/MoOx/Ag)을 만들었다. 여기서 가장 중요한 것은 Eloss가 0.52~0.56 eV로서 무기 태양전지의 값에 도달한 것이다. 또 하나 흥미로운 것은 PNOz4T/PCBM 시스템의 에너지 오프셋이 ~0.1 eV 밖에 안되는 되도 효율이 높은 것이다.

(그림 2 ⎜PNOz4T 기반 셀의 광전지 파라미터)

PNOz4T:PC61BM = 1:1에서 상당히 높은 Voc 1 eV을 보이고 PC61BM 비가 높아지면 Voc는 약간 감소하지만 Jsc가 상당히 커진다는 것을 알 수 있다. PNOz4T 시스템이 보고된 PSCs 중에서 Eloss가 가장 낮다는 것은 명백하다. 낮은 Eloss 뿐아니라 큰 Voc가 좁은 Eg의 PNOz4T에서 달성된 것이다. 

(표 1 ⎜PNOz4T 기반 셀 파라미터)

그들은 분광 연구를 통해 작은 에너지 오프셋이 전하 분리 과정에 있어서 제한 요인이 아니다라는 것을 알았다. 이 결과는 Jsc와 Voc 사이의 상충 관계 이슈를 해결하여 효율15% 실현에 길을 열 것이다.  

참고: High-efficiency polymer solar cells with small photon energy loss, Kazuaki Kawashima, et al., NATURE COMMUNICATION⎜6:10085⎜DOI:10.1038/ncomms10085⎜