새로운 non-fullerene 업셉터를 적용한 고효율과 공기 안정성이 높은 P3HT 기반 폴리머 태양전지

현재 고효율 유기 태양전지(organic photovoltaics, OPV)는 저밴드갭 도너 폴리머를 사용하고 있는데 안정성과 합성 비용이 해결해야할 문제이다. 

또한 기존 OPV는 플러렌 기반 어셉터를 사용하는데 비싸고 불안정하고 광흡수가 제한적이라는 이슈가 있다.

Imperial Colleage London과 KAUST 연구자들은 플러렌을 대체할 수 있는 업셉터 물질을 개발했다. 이 물질은 indacenodithiopene(IDT) 유닛이 코어에 있는 IDTBR인데 현재 유일하게 대량 구매가 가능한 넓은 밴드갭 도너 물질인 P3HT와 함께 있을때 광전기적과 모폴로지 특성이 잘 매칭되었다. 역구조 셀 아키텍처(glass/ITO/ZnO/P3HT:IDTBR(75nm)/MoO3/Ag, active area 0.045cm2, 공기중에서 효율 측정)에서 6.4% 효율을 보였다. 

(그림 3 ⎜ IDTBR:P3HT 소자의 J-V 특성과 EQE)

O-IDTBR:P3HT 소자가 EH-IDTBR:P3HT 소자에 비해 Jsc가 높은 이유는 어닐링 후 O-IDTBR의 red-shifted 흡수로 인한 800nm이상 확장된 O-IDTBR의 EQE 때문이다.

그들은 새로운 폴리머로 만들어진 셀에서 안정성로서 공기 중에서 소자 수명과 고온 테스트를 진행했다.

(그림 7 ⎜ 태양전지 안정성)

O-IDTBR:P3HT 소자는 평가 재료 중에서 가장 낮은 열화를 보였다. 60hr 후에 효율이 소폭 감소가 있은 후 효율은 상대적으로 안정적이다가 1200h 후에도 초기 효율의 72%을 보였다.

140도 1시간 어닐링 테스트에서 PC60BM:P3HT은 1~20um의 큰 응집물이 나타난 반면 O-IDTBR:P3HT는 매끄러운 표면을 유지했다.

참고: http://www.nature.com/ncomms/2016/160609/ncomms11585/full/ncomms11585.html

유기 태양전지 소자 모델링의 진보

OPV에서 전하 수송은 중요하며 전하들이 활성층으로 부터 충분히 빨리 수송될 수 없다면 재결합될 가능성이 크다. 

더우기, 어떤 한 캐리어 종이 다른 종에 비해 매우 느리게 움직인다면 순공간전하(net space-charge)가 활성층 내에서 형성될 것이다. 이 공간 전하는 전기장을 왜곡하여 빠른 캐리어 종의 추출을 늦춘다. 전자와 홀의 이동도의 불균형이 태양전지의 FF와 효율을 떨어뜨린다. 

전하 수송은 캐리어들이 어떤 한 지역에서 다른 지역으로 깡충깡충 뛰어 넘어 가는 호핑 이벤트(hopping event) 시퀀스를 수반한다. 명벽하게, 이는 고품질의 무기 반도체에서의 밴드 형태의 수송과는 매우 다르다. 

유기 물질에서 전하 캐리어의 이동도는 전기장과 전하 밀도의 함수라는 것은 잘 알려져 있다. 

전하 수송과 관해 또 다른 중요한 깨달음은 도너/업셉터 혼합물은 그들 원래 물질에 비해 매우 다른 수송 특성을 가질 수 있다는 발견이다. 예를 들어, PPV/PCBM 혼합물에서 홀 이동도는 원래 물질인 PPV에 비해 몇 오더 크기로 더 높다. 이 거동은 백본(backbone)에 있는 π-stacking에 영향을 주는 플러렌과 공액 폴리머의 팬던트(pendant) 사이에 상호작용을 암시한다. 

유기 태양전지의 중요한 변수중 하나는 Voc이다. 대충 말하면, Voc는 접촉의 일함수, 물질의 에너지 준위 그리고 캐리어 생성과 재결합 과정에 의해 결정된다.

참고: modern plastic solar cells: materials, mechanisms and modeling, Ryan C. Chiechi, et al, Materials Today-Volume 16, Numbers 7/8* July/August 2013.