[논문]PCDTBT 전자 주개를 기반으로 하는 고분자 태양전지

이지훈; 신인수; 박성흠

PCDTBT 전자 주개를 기반으로 하는 고분자 태양전지
Polymer Solar Cell Based on PCDTBT Electron Donating Material 원문보기

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문제 정의

^14-16 또한 최근 본 연구자 및 공동연구자는 이러한 PCDTBT는 높은 에너지 전환 효율뿐만 아니라 매우 높은 내부양자효율(internal quantum efficiency)을 보이고 이러한 내부 양자효율은 PCDTBT와 PCBM 및[6,6]-phenyl C₇₀-butyric acid methyl ester(PC₇₀BM)의 모폴로지(morphology) 변화와 소자제작 조건에 매우 민감함을 보고하였다.¹⁶ 이 글에서는 최근 발표된 PCDTBT를 이용한 고분자 태양전지의 리뷰를 바탕으로 소자제조 및 측정에 관한 정보를 제공하고 추가적인 실험 결과를 토대로 PCDTBT의 모폴로지 변화에 따른 소자 특성과 내부양자효율의 변화에 대해 상세히 소개하고자 한다.
PCDTBT:PC₇₀BM의 모폴로지를 조절을 통한 소자 성능 향상을 위하여 본 연구에서는 우선적으로 소자 제작 후열(heat annealing)을 가하고 이를 통한 소자의 성능을 비교해 보았다. 소자 제작 후 열을 가해 모폴로지를 조절하는 연구는 P3HT를 기반으로 하는 고분자 태양전지에서 매우 유용하게 활용되는 방법이다.
^11,35 또한 특정한 첨가제의 경우 전자 주개와 전자 받개에 대한 용해도가 현저하게 차이가 나며, 이로부터 선택적으로 전자 주개 혹은 전자 받개를 녹일 수 있다. 본 연구에서는 세 가지의 첨가제인 octanedithiole, dibromooctane, diiodooctane을 용매에 첨가하여 PCDTBT:PC₇₀BM 혼합물들의 모폴로지를 조절해 보았다. 그림 5(a)는 octanedithiole, dibromooctane,diiodooctane 첨가제가 섞인 용매를 이용하여 제작한 PCDTBT필름의 흡수 스펙트럼이다.

제안 방법

AM 1.5G아래서 정확한 PCDTBT/PC₇₀BM 소자의 에너지 전환효율을 구하기 위하여 우리는 그림 12에서 보여주는 방법으로 aperture를 사용하여 소자의 전류-전압 곡선을 측정하였다. 소자의 에너지 전환효율은 입사되는 빛의 세기와 소자의 전류-전압곡선으로부터 측정되는 단락전류, 개방전압, FF 값에 의해 결정되어지기 때문에 무엇보다 정확한 측정 값을 얻어야 한다.
1%을 보였다.Anti-reflecting 물질이 코팅되지 않은 PCDTBT/PC₇₀BM소자 중에서 6.1%의 값을 보이는 소자의 수명을 1주간 관찰하였고 그 이후에 소자의 효율 검증을 위하여 NREL(National Renewable Energy Laboratory)에 측정한 데이터와 함께 소자를 보냈다. 약 3주 후에 NREL에서는 그림 13(b)에 보이듯이 5.
그림 3. PC₆₀BM과 PC₇₀BM을 전자 받개로 가지는 고분자 태양전지의 전류전압 특성 곡선 비교.
PCDTBT/PC₇₀BM의 모폴로지를 변화시키고 이로부터 최적의 조건을 구하여 태양전지를 제작하였다. 그리고 소자의 흡수 스펙트럼과 IPCE를 데이터를 비교함으로써, 소자의 내부 양자효율을 계산 하였는데 그 결과가 그림11(a)에 나타나 있다.
그림 11(b)는 역방향의 전압을 가했을 경우의 전류-전압 곡선을 보여주고 있다. 역방향의 전압을 가했을 경우 전체 전류는 빛에 의해 생성된 광 전류와 함께 전극으로부터 주입된 전류도 포함하기 때문에, 우리는 간단히 전체 전류에서 빛이 없는 상태(dark condition)부터 구한 주입된 전류를 차감하여 빛에 의해 만들어진 광전류를 계산하였다. 그림 11(b)에서 보이듯이, 광 전류(청색)는 0 V 이하에서 평평한 곡선을 보이며, 이는 역방향의 전압에 의해 광 전류가 증가되지 않았음을 의미한다.
그림 4. 외부에서 인가하는 열에 의한 태양전지의 성능 비교.
우리는 여기서 PCDTBT를 전자 주개로 사용한 고분자태양전지에 대해 기존에 발표된 논문들과 새로운 데이터를 병합하여 소자의 제작조건 및 특성에 대해 전반적으로 논의하였다. 특히 전자 주개인 PCDTBT와 전자 받개인 PC₇₀BM의 모폴로지를 조절하여 내부 양자효자 효율을 개선하는 연구를 중심적으로 다루었으며, 적절한 모폴로지의 조절을 통해서 내부양자효율을 극대화시켜 약 100%에 근접하는 내부양자효율을 획득하였고, 6%가 넘는 에너지전환효율을 달성하였다.

대상 데이터

그림 2(b)에서 계산한 결과를 토대로 본 특집에서는 PCDTBT:PC₇₀BM 활성층 ~80 nm, TiO_x층을 ~10 nm로 각각 제작하였다. 그림 2(c)는 TiO_x층의 도입에 따른 태양전지의 흡수 스펙트럼을 보여주는데 TiO_x층의 도입을 통해 소자내부의 흡수율이 상당히 증가되었음을 관찰할 수 있으며, 이는 소자의 광 전류의 증가로 나타난다.
본 연구에서는 전자 주개로 PCDTBT 공액 고분자를 사용하였고, 전자 받개 물질로는 PC₇₀BM을 사용하였다. 일반적으로 사용되는 PC₆₀BM 대신에 PC₇₀BM을 전자 받개로 사용하면 더 높은 흡수율로부터 광 전류의 상승을 가져올 수 있다.

성능/효과

의 세기를 가지는 솔라시뮬레이터로 소자의 전류-전압곡선을 측정하였는데, 그 결과가 그림 13(a)에 나타나 있다. PCDTBT/PC₇₀BM 소자는 각각 J_sc=10.6 mA/cm², V_oc=0.88 V, FF=0.66을 보여주고 있으며 이로부터 계산한 에너지 전환효율은 6.1%을 보였다.Anti-reflecting 물질이 코팅되지 않은 PCDTBT/PC₇₀BM소자 중에서 6.
그림 8(a)는 CF, CB, DCB 및 CB와 DCB를 혼합하여 제조한 PCDTBT:PC₇₀BM 태양전지의 IPCE스펙트럼이다. TEM의 결과로부터 예상했듯이, CF과 CB의 경우 현저히 낮은 IPCE 값을 보이는 반면, DCB를 사용하여 제작한 소자는 높은 IPCE 값을 보인다. 그런데 흥미롭게도 CB만을 이용하여 제작한 소자와 달리 CB과 DCB를 혼합하여 제작한 소자의 경우 DCB를 사용한 소자와 비슷한 높은 IPCE 값을 보인다.
^33,34 그림 4는 서로 다른 온도에서 열을 가한 소자들의 전류-전압 특성곡선을 보여주고 있다. 우리가 소자에 각각 100 ℃와 120 ℃의 열을 가해 줬을 경우, 기대와는 달리 대부분의 소자의 경우 FF, 단락전류, 개방단자전압이 모두 감소하였고, 열을 가하지 않은 소자가 가장 높은 성능을 보였다. 그러나 일부 소자의 경우 열을 가함에 따라 성능의 향상을 보였는데 이런 소자의 경우 열을 가하지 않았을 때의 소자의 성능이 매우 낮았다.
우리는 여기서 PCDTBT를 전자 주개로 사용한 고분자태양전지에 대해 기존에 발표된 논문들과 새로운 데이터를 병합하여 소자의 제작조건 및 특성에 대해 전반적으로 논의하였다. 특히 전자 주개인 PCDTBT와 전자 받개인 PC₇₀BM의 모폴로지를 조절하여 내부 양자효자 효율을 개선하는 연구를 중심적으로 다루었으며, 적절한 모폴로지의 조절을 통해서 내부양자효율을 극대화시켜 약 100%에 근접하는 내부양자효율을 획득하였고, 6%가 넘는 에너지전환효율을 달성하였다. 태양전지의 내부양자효율이 100%에 근접한다는 것은 흡수된 모든 엑시톤이 전자와 정공으로 모두 분리가 되며, 분리된 모든 전자와 정공들이 각각 전극으로 수집됨을 의미하고, 이는 고분자 태양전지의 발전 가능성을 단적으로 보여준다.

후속연구

태양전지의 내부양자효율이 100%에 근접한다는 것은 흡수된 모든 엑시톤이 전자와 정공으로 모두 분리가 되며, 분리된 모든 전자와 정공들이 각각 전극으로 수집됨을 의미하고, 이는 고분자 태양전지의 발전 가능성을 단적으로 보여준다. 더구나 본 연구에서 리뷰한 PCDTBT:PC₇₀BM의 소자의 두께가 단지 80 nm로써 광 흡수율이 낮고, 두께 증가 시 내부 양자효율이 현격히 낮아짐을 고려한다면, 아직도 상당한 연구를 통한 소자 효율 개선이 기대된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

벌크 이종접합을 근간으로 하는 고분자 태양전지에 관한 연구는 무엇이 주를 이루어 왔는가?

지난 10년간, 벌크 이종접합을 근간으로 하는 고분자 태양전지에 관한 연구는 Regio-regular poly(3-hexylthiophene)(P3HT)를 전자 주개로 사용하고, [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PCBM)을 전자 받개로 사용하는 연구가 주를 이루어 왔으며 4-5%의 에너지 전환 효율을 보여 주었다.4-7 아직까지 P3HT/PCBM을 근간으로 하는 태양전지에 관한 연구들이 발표되고 있지만, P3HT의 비교적 큰 밴드갭(~1.

공액 고분자(conjugated polymer)와 풀러렌(Fullerene)의 벌크 이종접합을 근간으로 하는 고분자 태양전지의 특징은 무엇인가?

공액 고분자(conjugated polymer)와 풀러렌(Fullerene)의 벌크 이종접합(bulk-heterojunction)을 근간으로 하는 고분자 태양전지는 경제성, 경량성, 제작용이성에서 타 태양전지에 비해 우수하며, 특히 인쇄가 가능하고 휘어질 수 있으므로 유연한 차세대 에너지원으로 큰 기대를 모으고 있다. 단일 접합 구조와 달리, 기본적인 벌크 이종접합은 전자 주개(electron donor)와 전자 받개(electron acceptor) 물질의 자발적인 상분리(phase separation)를 통한 이종접합들의 자기조립(self-assembly)을 수반한다.

기본적인 벌크 이종접합은 단일 접합 구조와 달리 무엇을 수반하는가?

공액 고분자(conjugated polymer)와 풀러렌(Fullerene)의 벌크 이종접합(bulk-heterojunction)을 근간으로 하는 고분자 태양전지는 경제성, 경량성, 제작용이성에서 타 태양전지에 비해 우수하며, 특히 인쇄가 가능하고 휘어질 수 있으므로 유연한 차세대 에너지원으로 큰 기대를 모으고 있다. 단일 접합 구조와 달리, 기본적인 벌크 이종접합은 전자 주개(electron donor)와 전자 받개(electron acceptor) 물질의 자발적인 상분리(phase separation)를 통한 이종접합들의 자기조립(self-assembly)을 수반한다. 그리고 이러한 자발적인 상분리에 의해서 나노 규모의 이종접합이 활성물질 전체에 걸쳐 형성된다.

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