Application and Effect of Organic Electrolytes for Polymer Solar Cells

Abstract

최근 환경오염 및 화석 연료의 고갈 문제로 신재생 에너지 개발이 활발히 진행되고 있다. 대체 에너지원 가운데 태양전지는 유해물질이 발생하지 않고 유지비가 적다는 측면에서 우위를 선점하고 있다. 그 중 고분자 태양전지는 유연성 및 경량성이 뛰어나 웨어러블 태양전지에 사용되고 있으나 낮은 효율을 보인다는 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 고분자 태양전지의 효율을 향상시키기 위하여 전자 수송층과 광활성층 사이에 음극 버퍼 중간층을 도입하였다. 전자 수송층으로 사용되는 산화아연은 무기물이며 광활성층으로는 주로 유기물이 사용된다. 따라서, 계면에 에너지 장벽이 생겨 전자의 이동 및 수집 능력이 저하된다. 이때 쌍극자 모멘트를 갖는 전해질을 중간층으로써 도입하게 되면 에너지 장벽이 감소되어 전자의 이동 및 수집이 쉬워지며 단락 전류가 증가한다. 이러한 효과를 위하여 쌍극자 모멘트를 갖는 전해질을 설계하였으며 배치 간의 분자량 차이가 없고 합성 및 정제가 쉬운 저분자 물질을 합성하였다. 먼저, C4-OH 및 C6-OH를 합성하여 알킬 길이의 차이에 의한 고분자 태양전지의 광전변환효율 변화를 확인하였다. 그리고 C6-E-OTs를 도입하여 음이온 크기의 차이에 의한 에너지 장벽의 감소 및 효율 변화를 확인하였다. C6-E-OTs를 이용하여 역구조 고분자 태양전지를 제조한 결과, C6-E-Br을 도입했을 때보다 높은 효율을 보여주었다. 하지만 고분자 태양전지에 C6-E-OTs를 중간층으로 도입하여 뛰어난 성능을 보여주어도 실제 산업 공정에는 적용할 수가 없다. 고분자 태양전지를 상용화하기 위해서는 roll-to-roll 공정이 필수적이다. 하지만 중간층을 도입할 경우 5 nm 이하의 박막을 유지해야 하기 때문에 roll-to-roll 공정에 제한이 생긴다. 이때 중간층에 사용되는 물질을 전자 수송층으로 사용되는 산화아연과 혼합하여 제조함으로써 두께 의존성을 없앨 수 있다. 따라서, 가장 높은 효율을 보여준 C6-E-OTs를 이용하여 혼합 용액을 제조하여 고분자 태양전지에 도입하였다. 그 결과 중간층으로 도입했을 때보다 더 좋은 성능을 보여주었다. 결과적으로 유기 전해질인 C6-E-OTs를 도입하여 고분자 태양전지의 단점인 낮은 효율 측면을 보완할 수 있었으며 실제 산업 공정에도 적용이 가능하여 고분자 태양전지의 상용화에 기여할 수 있었다.