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. 

하이브리드 유기-무기 태양전지

하이브리드 태양전지는 반도체 폴리머와 콜로이드 반도체 나노결정의 혼합을 기반으로 한 것인데 공액 고분자의 높은 광 흡수와 나노 결정의 높은 전도도, 튜닝가능한 광학적 밴드갭과 높은 유전 상수(PbS: ε=17, PbSe: ε=23)을 결합할 수 있는 이머징 기술이다. 

태양전지 응용을 위해 연구 중인 많은 반도체 나노 결정 중에서 PbS 나노결정이 가장 각광 받고 있는 것 중 하나인데 높은 전자 이동도, 광흡수 영역이 넓고 안정성 좋기 때문이다. 

특히, PbS 지름에 대한 합성 제어는 근적외선광이 전기로 변화될 수 있도록하는 양자 구속 에너지 갭의 정밀한 튜닝을 할 수 있게 한다. 

더우기, 고품질의 PbS 나노 결정은 간단한 Schottky 접합 태양전지에 사용되었을 때 4%이상의 효율을 보인다. 

좁은 밴드갭 폴리머인 PDTPBT을 선택하고 증착 후 리간드 교환을 실행하여 넓은 범위에서 스펙트럼 응답을 보이는 type 2 이종접합을 실현했고 효율은 2%을 보였다. 

적절한 나노입자 크기를 선택하고 캐소드 증착전에 TiO2 중간층을 삽입함으로써 효율 3.7%에 도달했다. 

Prasad et al.은 폴리머와 나노입자사이의 에너지 준위 매칭의 중요성과 증착 후 리간드 교환 처리의 효력을 보여줬다. 

Piliego et al.은 PbS 나노결정과 좁은 밴드갭 폴리머 PDPPTPT으로 효율이 좋은 벌크 이종접합 태양전지를 실현시켰다(그림 4). 

PDPPTPT:PbS-OA(10:90 wt%) 혼합물의 박막층이 ITO 기판 위에 스핀 코팅법으로 증착되었다. 그런 후 리간드 교환 처리가 이루어졌다. 

광학적 측정으로 부터 이 구성은 type 2 이종접합을 형성한다는 것을 알 수 있고 Jsc 12.5 mA/cm2, Voc 0.47 V, FF 49%, 그리고 PCE 2.9%을 나타냈다. 

이 값은 전극 계면에서 중간층이 없다는 것을 고려하면 주목할 만하다. TiO2나 ZnO와 같은 박막 홀 차단 버퍼층을 활성층 위에 삽입하면 소자의 성능을 극적으로 향상시킬 수 있다. 

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

유기 태양전지에서 업셉터 물질

폴리머/플러렌 조합에 기반한 BHJ에서 주로 플러렌 업셉터가 효과적인 전자 업셉터와 전자 전도체로써 손쉽게 역할을 한다.  

유기 태양전지에서 물질 연구의 주류는 최적화된 광학적 밴드갭을 갖는,  균형된 전하 수송을 위해 [60]PCBM의 전자 이동도와 비슷한 홀 이동도를 갖는, [60]PCBM의 LUMO 준위와 최적의 LUMO-LUMO offset을 갖는, 좋은 가공성과 화학적 안정을 갖는 새로운 더 좋은 올리고머 또는 폴리머 도너 물질 개발에 중점을 두고 있다. 

[70]PCB은(단지 이성질체(isomer)의 혼합물로써 가능하다. 반면 [60]PCBM은 단일 화합물이다) 휘발성이 있고 전자 이동도가 [60]PCBM에 비해 단지 약간 작은 진한 청색을 띈 녹색 광 흡수 업셉터이다. AM1.5 광조사하에서 광흡수와 엑시톤 확산이 두 상 모두에서 발생하고 홀과 전자 이동 과정이 모두 도너/업셉터 계면에서 일어난다. 

태양전지 활성층 내에서 플러렌들과 그들의 용액 공정이 가능한 파생품들의 핵심 특성은 그들관 연관된 모든 공정에서 낮은 내부 재구성(reorganization) 에너지이다. 

이 낮은 재구성 에너지, 높은 분자의 분극률(polarizability), 그리고 고체의 비교적 높은 유전상수(εr=4)는 구체 모양과 π-공액 시스템으로 부터 기인하는 밀접한 관계가 있는 특성들이다. 

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

작은 크기의 양자점이 전하 이동을 강화시킨다

양자점에서 광학적과 전기적 특성을 제어하는 방법을 찿는 일은 이들을 응용하는데 있어서 매우 중요하다.

연구자들은 양자점의 코어를 축소시키는 것이 광흡수에 의해 양자점 안에 생성된 전하를 뽑아내는데 있어서 주위를 둘러싸고 있는 폴리머의 능력을 강화시킬 수 있다는 것을 보여 줬다.

태양전지에서 이상적인 물질은 태양광을 많이 흡수하여 효율적으로 전하로 변환시키고 전하는 쉽게 전류로써 뽑아내는 물질이다.

위 과정을 자세히 연구하기 위해 과학자들은 전도성 고분자가 주위에있고 ZnS 의 보호셀에 감싸여진 CdSe 코어로 이루어진 양자점을 이용했다.

그들은 양자점이 광을 흡수했을때 전하를 뽑아내기 위한 폴리머의 능력을 평가했는데 변수로써 양자점의 코어 크기를 달리했다. 

양자점의 크기를 변화시켰을 때 그들은 더 작은 지름일 수록 더 효율적이고 더 일관된 전하 이동 과정을 보인다는 것을 알았다. 

사실 연구자들은 홀의 이동에 의한 전하 이동을 탐구하고 있는데 홀을 뽑아내는 것은 양자점이 깝박거림 패턴(blinking pattern)에서 켜져 있는 상태의 시간을 증가시킨다는 것을 알았다. 

참고: http://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=24487

유기 태양전지의 핵심인 양자파(quantum wave)

연구자들은 유기 물질 내에서 파장과 같은 전자의 발견으로 유기 나노구조에서 가간섭(coherence)을 튜닝할 수 있게 되었다. 이것은 유기 태양전지에서 장수 전하를 만들어내는데 중요한 역할을 한다. 

초고속 카메라를 이용해서 연구자들은 광이 유기 나노구조에 우선 먼저 흡수되었을 때 전하가 빠르게 형성될 뿐아니라 매우 빨리 먼 거리로 분리되는 것을 알았다. 

이 결과는 과학자들을 놀라게 했는데 그러한 현상은 완벽한 무기 구조에서 일어나는 현상으로 믿었었기 때문이다. 

처음 몇 펨토초(femtoseconds) 동안 각 전하 자체는 한 분자로 국한되게 이동하는 것이 아니라  다수 분자로 퍼져나간다. 이 현상은 공간적 가간섭(sptial coherence)이라고 알려져 있는데 전하가 매우 빠르게 몇 나노미터를 이동하게 하여 양전하로 부터 달아 날 수 있게 한다. 

매우 세심하게 분자를 서로 쌓는 것을 엔지니어링함으로써 그들은 두 전하사이의 거리를 증가시키기 위해 공간적 가간섭을 튜닝하는 것이 가능하다라는 것을 알았다. 

참고: http://www.cam.ac.uk/research/news/quantum-waves-at-the-heart-of-organic-solar-cells

얇고 효율이 좋으며 플렉서블한 태양전지를 만들기 위한 방법을 찾았다

Illinois 대학과 Central Florida 대학의 연구자들은 Si 마이크로 어레이가 있는 대면적 나노 텍스처링된 시트를 만드는 방법을 알아냈다.

그들은 나노임프린팅 기술에 기반한 광 트랩 전략을 이용했는데 이 기술은 폴리머 도장이 태양전지 위에 기계적으로 나노크기의  패턴을 양각하는 것이다.

참고: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=48670

무독성 양자점 연구가 태양전지를 향상시키다

( 그림 1 ⎮ 콜로이드 QD(quantum dot) 태양전지의 동작 원리 (a) 전형적인 박막 p-n 접합 QD 태양전지의 도식도( PbS QD은 자주색 원이고 접촉은 나타내지 않았다);  소수 캐리어가 전극에 도달하기 위한 긴 이동 거리로 인한 높은 재결합 손실이 QD층의 두께를 궁극적으로 제한한다. ( b) QDSSC(quantum dot sensitized solar cell) 아키텍처의 도식도(CISeS 양자점은 붉은 삼각형이고 접촉은 빠져 있다). 이 구조는 QD에서 QD로 캐리어 수송을 완벽하게 피할 수 있다. 그리고 더 완벽한 광 흡수으로 부터 이득이 있다. (c)밴드 구조 도식도와 광변환 과정의  다양한 단계의 서술이 있는   QDSSC 광애노 드의 SEM 단면 이미지 (1) 태양광 흡수에 의해 여기 전자와 홀 생성, (2) TiO2로 전자 이동(electron transfer, ET), (3) TiO2 내에서 전자 drift에 뒤따른 전자 확산 (4) 전해질내에 있는 다황화물로 홀 이동, (5) CuxS 전극에 의한 홀 수집)


저가격의 Cu 기반 양자점으로 만들어진 양자점 감응 태양전지가 전례 없는 장수명과 효율 5%이상을 나타냈다. 이 결과는 열전자(hot-electron) 추출과 캐리어 증폭에 의해 가능했다. 

양자점으로 용액 공정으로 만들어진 CuInSexS2-x을 이용했는데 표면 결함으로 부터 전하 캐리어 손실을 줄이고 태양광 스펙트럼의 거의 완벽한 흡수를 위해 엄밀히 최적화되었다.

메탄올 기반의 다황화물(polysulfide) 전해질을 이용했는데 특히 광전류와 직렬 저항 감소에 큰 기여를 했다. 메탄올의 높은 증기압에도 불구하고 태양전지는 외부 환경하에서 몇 달간 안정적이었다. 

참고: http://www.nanowerk.com/nanotechnology_news/newsid=33636.php