[논문]강유전 고분자를 첨가한 유기태양전지의 효율 특성

박자영; 정치섭

doi:10.4313/jkem.2016.29.9.589

강유전 고분자를 첨가한 유기태양전지의 효율 특성
The Efficiency Characteristics of the Ferroelectric Polymer Added Organic Solar-cells 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.29 no.9, 2016년, pp.589 - 594

박자영 (청주대학교 레이저광정보공학과) , 정치섭 (청주대학교 레이저광정보공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

P3HT:PCBM bulk heterojunction solar cells added with ferroelectric polymer were fabricated and characterized. By incorporating P3HT:PCBM solar cell with P(VDF-TrFE) ferroelectric additive, the power conversion efficiency was increased up to nearly 50%. Photoacoustic analysis on this phenomena was carried out for the first time. Through this study, we find that the ferroelectricity of the polymer additive plays the key role in the enhancement of the power conversion efficiency of the organic solar cell by suppressing the non-radiative recombination of charge transfer exciton more effectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 강유전 고분자를 첨가 효과를 보기위해 기준 전지의 사양을 반복된 실험을 거쳐 다음과 같이 설정하였다. P3HT에 대한 PCBM 조성비는 10:7로, 그리고 유기용매에 대한 P3HT:PCBM 농도비는 1.
이러한 주장을 뒷받침하기 위해 우리는 기존의 광전류 측정으로부터 비방사 재결합을 추정하는 대신 비방사 재결합을 직접 측정함으로써 효율 증대의 원인을 보다 명확히 규명하고자 하였다.

가설 설정

설사 구조물에 의한 광 음향이 발생되더라도 모든 시료전지의 구조물은 동일하게 제작되었으므로 발생된 광 음향 세기는 상대 비교를 통해 기여도를 상쇄할 수 있다. 이 같은 분석에 따라 이 실험에서 측정되는 광 음향세기는 주로 흡수층 내에서 발생되는 비방사 전이에 의해 결정된다고 판단하였다.

제안 방법

정공수송층 (PEDOT:PSS): Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate)은 기판 위에 스핀코팅 방법으로 30 nm 두께로 올려 제작하였다. 본 실험에 앞서 P3HT와 PCBM 조성비에 따른 두께 특성, 분광 특성, 전류전압 특성, 변환 효율 특성을 측정하여 최적의 조성비를 결정하였다. 이 연구에서 사용된 광 흡수층은 P3HT:PCBM의 무게에 대하여 P(VDF-TrFE)를 0%, 5%, 10%, 20%가 되도록 하였다.
우리는 이 연구에서 광전류 측정과 함께 열의 형태로 방출되는 비방사 전이를 강유전체의 첨가비의 함수로 측정함으로써 효율 증강에 기여하는 강유전체의 기여 과정을 분석할 것이다. 비방사 측정을 통한 효율 증강에 대한 연구는 아직까지 한 번도 보고된 바가 없다.
이 사실은 강유전 고분자로 인해 활성층 내 엑시톤들의 분리에 필요한 국소 전기장이 형성될 수 있었기 때문에 가능하였으며 이에 따라 더 많은 광전하들이 형성되었기 때문으로 해석되어진다. 이 같은 해석을 뒷받침하기 위해 우리는 비방사 과정인 엑시톤의 비방사 재결합을 광 음향 방법을 통해 처음으로 측정하였다. 이를 위해 강유전체 첨가비를 달리한 전지들로부터 전지 효율과 광 음향 변환율 변화 추이를 분석하였다.
본 실험에 앞서 P3HT와 PCBM 조성비에 따른 두께 특성, 분광 특성, 전류전압 특성, 변환 효율 특성을 측정하여 최적의 조성비를 결정하였다. 이 연구에서 사용된 광 흡수층은 P3HT:PCBM의 무게에 대하여 P(VDF-TrFE)를 0%, 5%, 10%, 20%가 되도록 하였다. 이를 위해 P(VDF-TrFE)는 용매인 THF (tetrahydrofuran) 1 ml당 각각 0 mg, 4 mg, 8 mg, 16 mg의 농도로 24시간 이상 교반한 후 최적화된 P3HT:PCBM과 부피비 1:4로 혼합 후 12시간 이상 또 다시 교반하여 제작하였다.
이 연구에서 사용된 광 흡수층은 P3HT:PCBM의 무게에 대하여 P(VDF-TrFE)를 0%, 5%, 10%, 20%가 되도록 하였다. 이를 위해 P(VDF-TrFE)는 용매인 THF (tetrahydrofuran) 1 ml당 각각 0 mg, 4 mg, 8 mg, 16 mg의 농도로 24시간 이상 교반한 후 최적화된 P3HT:PCBM과 부피비 1:4로 혼합 후 12시간 이상 또 다시 교반하여 제작하였다. 제작된 시료는 0.
이 같은 해석을 뒷받침하기 위해 우리는 비방사 과정인 엑시톤의 비방사 재결합을 광 음향 방법을 통해 처음으로 측정하였다. 이를 위해 강유전체 첨가비를 달리한 전지들로부터 전지 효율과 광 음향 변환율 변화 추이를 분석하였다. 그 결과 우리는 엑시톤의 비방사 재결합이 강유전 고분자 때문에 억제됨을 보았으며, 이 결과 전지 효율이 증가된다는 인과관계를 밝힐 수 있었다.
기판은 UV-Ozone cleaner에 15분간 넣어 불순물 및 유기물 처리를 하였다. 정공수송층 (PEDOT:PSS): Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate)은 기판 위에 스핀코팅 방법으로 30 nm 두께로 올려 제작하였다. 본 실험에 앞서 P3HT와 PCBM 조성비에 따른 두께 특성, 분광 특성, 전류전압 특성, 변환 효율 특성을 측정하여 최적의 조성비를 결정하였다.
7 eV (450 nm)의 LED를 사용하였으며, light chopper로 변조된 빛은 광활성층에 입사되도록 하였다. 주기적으로 변조된 빛은 비방사 재결합을 통해 발생된 주기적 열로 변환되며 시료와 마이크로폰 사이의 작은 공간 내에 주기적인 압력 변화를 거쳐 전압변화로 유도되도록 하였다. 이 실험에서 사용된 gas-microphone 방법에 대한 설명은 참고 논문 [14] 에 자세히 기술되어 있다.

대상 데이터

태양 전지는 다음과 같은 과정을 통하여 제작되었다. 기판은 ITO glass를 사용하였으며, acetone, ethyl alcohol, Di-water에 순서대로 5분간 초음파 세척기를 이용해서 세척하였고 N₂ gas를 불어 수분을 제거하였다. 기판은 UV-Ozone cleaner에 15분간 넣어 불순물 및 유기물 처리를 하였다.
이렇게 만들어진 광 활성층 위에 알루미늄을 10^-6 -10^-7torr 조건에서 증착함으로써 전극을 만들었다. 유기 태양전지의 각층 두께는 Tencor사 (D-100)의 alpha-step을, 분광 특성은 HITACHI (UH4150) spectrophotometer를, 표면 형상은 Carl Zeiss사(LEO-1530) 530 Field Emission Scanning Electron Microscope과 PUCO TECH사의 AFM을 사용하였다. 전지소자의 변환 효율 및 전류 전압 특성은 McScience사의 Polaronix K201 Solar Simulator를 사용하여 측정하였다.
이 실험에서 광 음향 측정에는 광원으로는 1.9 eV (630 nm)와 2.7 eV (450 nm)의 LED를 사용하였으며, light chopper로 변조된 빛은 광활성층에 입사되도록 하였다. 주기적으로 변조된 빛은 비방사 재결합을 통해 발생된 주기적 열로 변환되며 시료와 마이크로폰 사이의 작은 공간 내에 주기적인 압력 변화를 거쳐 전압변화로 유도되도록 하였다.

이론/모형

광 음향(photoacoustic, PA) 측정법은 물질에서의 비방사 전이를 측정할 수 있는 가장 효과적인 방법 중 하나이다. 우리는 이 연구에서 엑시톤의 비방사 재결합 문제를 해결하기 위해 광 음향 측정법을 이용하였다. 유기 태양전지에서 비방사 전이 발생 요인 대상은 (1) 광 흡수층 (2) 광 흡수층을 제외한 구조물, (3) 첨가물인 강유전고분자 P(VDF-TrFE) 등이 있다.
유기 태양전지의 각층 두께는 Tencor사 (D-100)의 alpha-step을, 분광 특성은 HITACHI (UH4150) spectrophotometer를, 표면 형상은 Carl Zeiss사(LEO-1530) 530 Field Emission Scanning Electron Microscope과 PUCO TECH사의 AFM을 사용하였다. 전지소자의 변환 효율 및 전류 전압 특성은 McScience사의 Polaronix K201 Solar Simulator를 사용하여 측정하였다.

성능/효과

P3HT:PCBM기반 유기태양전지에서 강유전 고분자인 P(VDF-TrFE)를 첨가함으로써 최대 50%의 효율 증대를 얻었다. 강유전 고분자를 광활성 물질 내 10%를 첨가하였을 단락전류는 47%의 증가를 보인 반면 개방 전압은 10%의 증가에 그쳐 효율 증가의 주원인이 단락전류의 증가임을 보여주었다.
P3HT:PCBM기반 유기태양전지에서 강유전 고분자인 P(VDF-TrFE)를 첨가함으로써 최대 50%의 효율 증대를 얻었다. 강유전 고분자를 광활성 물질 내 10%를 첨가하였을 단락전류는 47%의 증가를 보인 반면 개방 전압은 10%의 증가에 그쳐 효율 증가의 주원인이 단락전류의 증가임을 보여주었다. 이 사실은 강유전 고분자로 인해 활성층 내 엑시톤들의 분리에 필요한 국소 전기장이 형성될 수 있었기 때문에 가능하였으며 이에 따라 더 많은 광전하들이 형성되었기 때문으로 해석되어진다.
이를 위해 강유전체 첨가비를 달리한 전지들로부터 전지 효율과 광 음향 변환율 변화 추이를 분석하였다. 그 결과 우리는 엑시톤의 비방사 재결합이 강유전 고분자 때문에 억제됨을 보았으며, 이 결과 전지 효율이 증가된다는 인과관계를 밝힐 수 있었다.
따라서 빛 흡수로 인해 발생되는 광전류도 강유전체가 첨가할수록 작아져야 한다. 그러나 실험 결과는 예측과 반대로 P(VDF-TrFE)를 첨가할수록 광전류는 증가하여 10% 첨가전지에서는 기준 전지에 비해 50% 증가되었으며 이를 정점으로 20% 첨가 태양전지에서는 줄어드는 경향을 보였다. 흡수율 감소에도 불구하고 이렇게 효율이 증가되는 현상은 강유전체인 P(VDF-TrFE)가 유기태양전지의 효율을 증가시킨다는 설명 밖에는 해석할 방법이 없다.
비방사 측정을 통한 효율 증강에 대한 연구는 아직까지 한 번도 보고된 바가 없다. 따라서 현 단계에서 광 음향 세기와 엑시톤의 비방사 전이율 사이에 대한 정량적 연관관계를 밝혀내기는 어렵지만 광 음향 결과와 특성 파라메타를 연계 분석 한다면 강유전 고분자에 의한 엑시톤의 분리 억제 효과는 충분히 검증할 수 있을 것으로 본다.

후속연구

우리는 이 연구에서 강유전체를 첨가물로 도입하였을 때 전류 증가 효과를 엑시톤의 비방사 재결합의 관점에서 분석할 예정이며 이를 위해 광 음향 측정법을 도입할 것이다. 엑시톤의 비방사 재결합을 직접 측정하는 접근법은 추후 버퍼층 구조에서 개방전압 증가에 의한 효율 증강의 해석에도 유용하게 적용될 수 있을 것으로 본다.
우리는 이 연구에서 강유전체를 첨가물로 도입하였을 때 전류 증가 효과를 엑시톤의 비방사 재결합의 관점에서 분석할 예정이며 이를 위해 광 음향 측정법을 도입할 것이다. 엑시톤의 비방사 재결합을 직접 측정하는 접근법은 추후 버퍼층 구조에서 개방전압 증가에 의한 효율 증강의 해석에도 유용하게 적용될 수 있을 것으로 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유기 고분자 태양전지에 관한 연구가 꾸준히 계속되는 이유는?	이에 비해 유기 고분자 태양전지의 효율은 아직 10% 정도로, 획기적인 효율증가가 이루어지지 않는 한 상용화는 어렵다고 보여진다 [1,2]. 그럼에도 불구하고 낮은 제조 가격 및 공정상 편이성 때문에 이 분야 연구는 아직도 꾸준히 계속되고 있다 [3]. 고분자 태양전지는 유기반도체 특성을 활용한 소자로 전자 주개/받개의 이종접합 구조로 되어있다.
	고분자 태양전지의 구조는?	그럼에도 불구하고 낮은 제조 가격 및 공정상 편이성 때문에 이 분야 연구는 아직도 꾸준히 계속되고 있다 [3]. 고분자 태양전지는 유기반도체 특성을 활용한 소자로 전자 주개/받개의 이종접합 구조로 되어있다. 광 흡수로 인해 형성된 엑시톤은 확산 과정을 통해 도너/억셉터 계면으로 이동하며, 전자 친화도 차이에 의해 전자는 억셉터 쪽으로 이동하여 소위 전하 전달 엑시톤 (charge transfer exciton, CTE)이 형성된다 [4].
	CTE가 광전류를 발생시키는 과정은?	CTE는 전극의 일함수차이에 인해 발생되는 내부 전기장에 의해 자유 전하로 분리되어 광전류를 발생시킨다. 이 태양전지로부터 추출 가능한 효율은 이론적으로 15%에 달한다.

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저자의 다른 논문 :

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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