Polymer Ternary Solar Cells with Enhanced Photon Absorption

Abstract

공액고분자(Conjugated Polymer)와 풀러린(Fullerene) 유도체의 벌크 이종접합(Bulk heterojunction)을 이용하는 고분자 태양전지는 경제성, 경량성, 제작용이성에서 장점을 보이며, 특히 구부림이 가능하고 용액기반의 인쇄공정이 용이하기 때문에 차세대 저가형의 에너지원으로 주목 받고 있다. 하지만 고분자 태양전지는 전하이동도가 낮고, 활성층으로 사용되는 공액고분자가 상대적으로 높은 에너지 밴드갭을 가지기 때문에 광전류의 형성에 불리하며, 그로부터 타 태양전지에 비해 상대적으로 낮은 에너지 전환 효율을 보인다. 따라서 실제 상용화를 위해서는 고분자 태양전지의 효율을 향상시키는 것이 중요하다. 이를 위해서 밴드갭이 낮은 폴리머를 합성하거나, 모폴로지를 최적화 시키는 과정, 버퍼층을 삽입하는 등 많은 연구들이 이루어 지고 있다. 하지만 낮은 광흡수와 전하 이동도등 여러 요소들로 인해 효율의 한계에 부딪힌 실정이다. 따라서 본 논문에서는 활성층에 하나의 전자주개와 하나의 전자받개를 도입하는 polymer binary solar cells 이 아닌 두 개의 전자주개와 하나의 전자받개를 도입하는 polymer ternary solar cells를 제작하여 효율의 한계점을 극복하는 연구를 수행하였다. ternary blend를 했을 때의 장점은 tandem 과 같이 복잡한 구조로 제작하지 않더라도 binary blend를 했을 때의 부족한 광 흡수를 단지 활성층에 하나의 전자주개를 더 섞어줌으로써 증대 시킬 수 있다는 것이다. 하지만 종래에 polymer ternary solar cells 에 관해서 많은 연구가 이루어지지 않은 이유는 하나 이상의 전자주개를 첨가하였을 때 전자주개들의 HOMO level이 같지 않기 때문에 전하가 전극으로 수집 되기 전 트랩 되거나, 전자받개의 결정성이 감소하거나, 활성층의 모폴로지가 완만하게 변하는 등 오히려 결점으로 작용하여 태양전지가 원활하게 작동되지 않고 오히려 효율이 감소하는 경향을 보였기 때문이다. 따라서 본 논문에서는 이러한 단점을 보완하기 위해 2가지 요소를 중점으로 실험을 실시하였다. 첫 번째는 우리의 목적인 광흡수를 증가시키기 위해 서로 다른 흡수영역대를 가지는 전자주개들을 선택하는 것 이였고, 두 번째는 엑시톤에서 분리된 홀이 전극으로 수집될 때 2가지 전자주개를 통해서도 잘 이동할 수 있게 비슷한 HOMO level을 가지는 전자주개를 사용하는 것이다. 먼저 조건을 만족하는 두 가지 전자주개를 찾고, 각 전자주개가 전자받개와 binary blend로 최고의 효율을 내는 용액상태를 혼합하여 polymer ternary solar cells을 성공적으로 제작하였고, 광흡수 향상을 통해 효율을 증대시켰다.