[논문]유기 태양전지 효율 향상을 위한 신규 고분자 재료의 구조 설계 및 개발 동향

강태의; 김태수; 김범준

[국내논문] 유기 태양전지 효율 향상을 위한 신규 고분자 재료의 구조 설계 및 개발 동향 원문보기

인포메이션 디스플레이 = Information display, v.16 no.1, 2015년, pp.4 - 12

강태의 (한국과학기술원) , 김태수 (한국과학기술원) , 김범준 (한국과학기술원)

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AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 기고에서는 고효율 유기 태양전지를 위하여 그 동안 개발된 신규 전자 주개 유기 재료 중 대표적인 전도성 고분자를 소개하려 한다. 먼저 2장에서는 유기 태양전지의 전자 주개로 사용하기 위해 요구되는 특성을 소개하고 3장에서는 구조에 따라 전자 주개 고분자의 종류를 구분하여 소개하려 한다.
지금까지 전자 주개 물질인 전도성 고분자 개발에 따른 유기 태양전지의 발전 과정과 최근 연구 동향을 간략히 살펴보았다. 유기 태양전지의 효율은 최근 몇 년간 크게 향상되었으며 이는 무엇보다도 다양한 전도성 고분자 구조 설계 방법으로 인한 새로운 전도성 고분자의 개발 때문이다.

제안 방법

[그림 6] 하지만 이런 강한 π-πinteraction은 고분자의용해도를 떨어뜨리기 때문에 이 연구에서는 적절한 side chain의 선택을 통한 용해도 향상과 동시에 고분자 패킹구조를 최적화시켰다.
또한, 이와 같은 terpolymer approach를 통해 앞서 말했던 전도성 고분자의 상반되는 성질인 고분자의 용해도와 고분자 배열의 최적화가 세 번째 unit의 비율 조절을 통해 가능해졌고 이로 인해 유기 태양전지의 효율이 증가하는 결과를 보였다. 그 예로, 본 연구 그룹에서는 고분자의 결정화도 및 planarity를 미세조절하기 위해 기존의 thiophene(D₁)으로 되어 있던 고분자의 backbone에 더 rigid한 특성을 가지는 selenophene (D₂)을 일정 비율 도입하여 이 변화가 태양전지에 미치는 영향에 대해 연구를 진행하였다(2D/1A).[그림 9] Thiophene(D₁)과 selenophene(D₂)의 경우 에너지 준위가 비슷하기 때문에 두 unit의 비율의 변화에도 고분자의 광학적 성질에는 큰 영향을 미치지 않는 것을 알수 있었다.
이렇듯, 세 번째 그룹의 도입(electron-rich unit 또는 electron-deficient unit)으로 기존 D-A alternating copolymer의 흡수 스펙트럼, 전하 이동도, 용해도 등의 고분자의 특성을 좀 더 최적화할 수 있게 되었다. 이는 세 번째 unit 도입으로 인해 고분자 backbone 안에서 unit 간의 molar ratio 조절을 가능하게 해 원하는 고분자 성질을 좀 더 세밀하게 조절할 수 있기 때문이다.

성능/효과

즉, 동일한 backbone을 가진 고분자라도 side chain의 구조에 따라 유기 태양전지의 효율에 많은 영향을 주기 때문에 side chain을 최적화 하는 연구는 필수적이며 매우 중요하다. 그 예로, benzodithiophene과 thieno [3,4-c]pyrrole-4,6-dione 기반의 PBDTTTPD 고분자 에서 thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione의 side chain 을 branch에서 linear형태로 바꿈으로써 광전변화효율이 3%에서 6%로 증가함을 확인할 수 있었다.[그림 6] Bulky한 chain을 사용하게 되면 고분자의 용해도는 증가하지만 π-πinteraction distance가 길어져 전하 이동에 안 좋은 영향을 미쳐 효율이 감소했음을 확인할 수있었다.
본 연구 그룹에서는, 이 두 개의 다른 고분자의 흡수 측면을 상호 보완하기 위해 기존의 PBDTTDPP 고분자에 thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione를 세 번째 unit으로 소량씩 첨가함으로써(1D/2A), 가시광선 영역에서의 흡수를 증가시켜, 이로 인해 약 15%의 단락전류의 증가로 전반적인 효율 향상을 가져왔다. 또한, 이 연구를 통해 thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione(A2)의 첨가 비율을 조절함으로써 밴드갭 및 HOMO/LUMO 에너지 준위를 좀 더 면밀하게 조절할 수 있음을 알 수 있었다. 하지만, 세 개의 다른 unit이 하나의 고분자 backbone 안에 들어가기 때문에 각 unit의 비율을 조절하는 것이 효율 최적화에 필수적임을 알 수 있다.
또한, 이와 같은 terpolymer approach를 통해 앞서 말했던 전도성 고분자의 상반되는 성질인 고분자의 용해도와 고분자 배열의 최적화가 세 번째 unit의 비율 조절을 통해 가능해졌고 이로 인해 유기 태양전지의 효율이 증가하는 결과를 보였다. 그 예로, 본 연구 그룹에서는 고분자의 결정화도 및 planarity를 미세조절하기 위해 기존의 thiophene(D₁)으로 되어 있던 고분자의 backbone에 더 rigid한 특성을 가지는 selenophene (D₂)을 일정 비율 도입하여 이 변화가 태양전지에 미치는 영향에 대해 연구를 진행하였다(2D/1A).
8eV의 밴드갭을 가지며 400-600nm 대의 빛의 흡수가 상대적으로 뛰어남을 알 수 있다. 본 연구 그룹에서는, 이 두 개의 다른 고분자의 흡수 측면을 상호 보완하기 위해 기존의 PBDTTDPP 고분자에 thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione를 세 번째 unit으로 소량씩 첨가함으로써(1D/2A), 가시광선 영역에서의 흡수를 증가시켜, 이로 인해 약 15%의 단락전류의 증가로 전반적인 효율 향상을 가져왔다. 또한, 이 연구를 통해 thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione(A2)의 첨가 비율을 조절함으로써 밴드갭 및 HOMO/LUMO 에너지 준위를 좀 더 면밀하게 조절할 수 있음을 알 수 있었다.
즉, D-A alternating copolymer를 설계할 경우, 적절한 backbone과 그에 따른 side chain 구조를 사용 하여 원하는 고분자의 성질을 얻는 것이 중요하다. 이러한 특성을 고려한 D-A alternating copolymer 구조의 개발을 통해 유기 태양전지에서 ~10%에 이르는 광전변화효율을 얻을 수 있었다.[그림 7]
[그림 9] Thiophene(D₁)과 selenophene(D₂)의 경우 에너지 준위가 비슷하기 때문에 두 unit의 비율의 변화에도 고분자의 광학적 성질에는 큰 영향을 미치지 않는 것을 알수 있었다. 일반적으로, rigid한 selenophene(D2)이 들어간 고분자 일수록 고분자의 결정화도가 증가되며 이에 따라 전하 이동도도 같이 증가하는 것을 확인할 수 있었지만 이와 반대로 유기 태양전지에서는 전자 주개와 PCBM과의 miscibility 감소로 인해 상분리가 심하게 일어나 효율이 감소하게 되는 경향을 보였다. 하지만 terpolymer approach를 통해 selenophene(D₂) 양을 조절할 경우, 전하 이동도 증가와 적당한 상분리가 일어날 수 있도록 selenophene(D₂) 비율 조절을 통해 고분자의 특성을 최적화시켜 유기 태양전지의 효율을 향상시킴을 확인할 수 있었다.
일반적으로, rigid한 selenophene(D2)이 들어간 고분자 일수록 고분자의 결정화도가 증가되며 이에 따라 전하 이동도도 같이 증가하는 것을 확인할 수 있었지만 이와 반대로 유기 태양전지에서는 전자 주개와 PCBM과의 miscibility 감소로 인해 상분리가 심하게 일어나 효율이 감소하게 되는 경향을 보였다. 하지만 terpolymer approach를 통해 selenophene(D₂) 양을 조절할 경우, 전하 이동도 증가와 적당한 상분리가 일어날 수 있도록 selenophene(D₂) 비율 조절을 통해 고분자의 특성을 최적화시켜 유기 태양전지의 효율을 향상시킴을 확인할 수 있었다.
이와 같이 원리적인 접근과 더불어 소자 아키텍쳐(device architecture)를 변화시켜 효율을 올리거나 금속나노입자를 유기 태양전지에 첨가하여 플라즈몬 효과(plasmonic effect)를 통하여 효율을 극대화하는 기술적인 접근도 연구되었다. 하지만 결과적으로 최근 구현된 상당히 높은 효율(9-10%)은 주로 새로운 전자 주개형 전도성 고분자의 개발을 통하여 달성되었다.

후속연구

하지만 현재 유기 태양전지의 발전 속도와 다양한 장점을 고려한다면 상기 이슈들이 머지않아 해결되어 유기태양전지의 상용화를 기대할 수 있을 것이라 예상된다. 앞으로 다양한 종류의 웨어러블 디바이스가 새롭게 개발될수록 유기 태양전지의 필요성은 더욱 부각될 것이며 따라서 유기 태양전지 분야의 응용가능성 또한 굉장히 넓어질 전망이다.
물론, 고효율을 달성하는 것만으로 유기 태양전지가 상용화되는 것은 아니다. 유기 태양전지를 실생활에 적용하기 위해서는 효율 증가와 함께 추가적으로 전도성 고분자의 열적 안정성, 광 안정성 및 기계적 특성 향상 개선 연구도 반드시 동반되어야 한다. 하지만 현재 유기 태양전지의 발전 속도와 다양한 장점을 고려한다면 상기 이슈들이 머지않아 해결되어 유기태양전지의 상용화를 기대할 수 있을 것이라 예상된다.
유기 태양전지의 효율은 최근 몇 년간 크게 향상되었으며 이는 무엇보다도 다양한 전도성 고분자 구조 설계 방법으로 인한 새로운 전도성 고분자의 개발 때문이다. 이로 인해, 단일 셀로 10%에 도달하는 전자 주개 전도성 고분자가 개발되었고 이를 통해 실질적인 유기 태양전지 상용화에 대한 가능성은 높아질 것이라고 예상된다. 물론, 고효율을 달성하는 것만으로 유기 태양전지가 상용화되는 것은 아니다.
지금까지 보고된 homopolymer 중에서는 P3HT가 P3HT:PC61BM 또는 P3HT:PC71BM을 기반으로 한 유기 태양전지는 평균 3~5%대의 가장 높은 광전변화효율 (power conversion efficiency, PCE)을 보이고 있다. 하지만 P3HT의 높은 전하 이동도의 장점에도 불구하고, 큰 밴드갭(~1.9eV)으로 인해 흡수할 수 있는 광자의 양이 제한적이며, 높은 HOMO 에너지 준위로 인해 전자 받개의 LUMO 에너지 준위와의 차이를 감소시켜 낮은 개방전압을 갖게 되어 P3HT를 이용해서는 유기 태양전지의 효율을 추가로 향상시키는데 한계가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	homopolymer 중 가장 높은 광전변화효율을 보이는 P3HT는 어떤 한계점이 있는가?	지금까지 보고된 homopolymer 중에서는 P3HT가 P3HT:PC61BM 또는 P3HT:PC71BM을 기반으로 한 유기 태양전지는 평균 3~5%대의 가장 높은 광전변화효율 (power conversion efficiency, PCE)을 보이고 있다. 하지만 P3HT의 높은 전하 이동도의 장점에도 불구하고, 큰 밴드갭(~1.9eV)으로 인해 흡수할 수 있는 광자의 양이 제한적이며, 높은 HOMO 에너지 준위로 인해 전자 받개의 LUMO 에너지 준위와의 차이를 감소시켜 낮은 개방전압을 갖게 되어 P3HT를 이용해서는 유기 태양전지의 효율을 추가로 향상시키는데 한계가 있다.
	상용화하기에는 낮은 효율을 가진 유기태양전지의 효율을 높이기 위해 대표적으로 어떤 연구들이 진행되었나?	유기 태양전지 분야의 단점은 유기태양전지를 상용화하기에는 효율이 상대적으로 낮다는 것이며 따라서 효율을 높이기 위해 지난 20년간 활발히 연구가 진행되었다. 작은 밴드갭을 갖는 전자 주개형 고분자(low-bandgap polymer)의 개발과 PCBM의 구조 변화를 통하여 효율 증가를 발표한 사례가 대표적이며 또한 전자주개와 전자 받개 사이의 몰포로지와 계면 조절을 통하여 효율 및 안정성을 높이는 연구도 진행되었다. 이와 같이 원리적인 접근과 더불어 소자 아키텍쳐(device architecture)를 변화시켜 효율을 올리거나 금속나노입자를 유기 태양전지에 첨가하여 플라즈몬 효과(plasmonic effect)를 통하여 효율을 극대화하는 기술적인 접근도 연구되었다.
	D-A alternating copolymer 구조의 장점은?	Homopolymer의 단점인 큰 밴드갭을 효과적으로 작게하면서 HOMO/LUMO 에너지 준위를 쉽게 조절할 수 있는 D-A alternating approach가 개발되었으며 이로 인해 작은 밴드갭을 가지는 전도성 고분자를 확보할 수 있다. 이런 D-A alternating copolymer 구조는 electron-rich(D) unit과 electron-deficient(A) unit 이 교대로 고분자의 backbone에 도입되는 것으로, 이 방법으로는 하나의 backbone안에 존재하는 D와 A의 에너지 준위 사이의 intramolecular charge transfer (ICT)에 의해 밴드갭을 줄임과 동시에 다양한 D와 A의 조합을 통해 HOMO/LUMO 에너지 준위를 세밀하게 조절 할 수 있는 장점이 있다. 대표적인 electron-rich unit으로는 benzodithiophene, fluoren, thiophene, dithienosilole, cabazole 등이 있으며, electrondeficient unit으로는 thieno[3,4-c]pyrrole -4,6-dione, diketopyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione, isoindigo, benzothiazole 등이 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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