교호 공중합체 전자주개를 이용한 유기 광전소자 특성 연구

Abstract

다양한 유기광전소자 중 유기 태양전지는 다양한 장점으로 인해 미래 대체 에너지원으로서 큰 주목을 받고 있다. 그 장점으로, 유기 태양전지는 용액 기반 공정 을 이용하여 소자를 제작할 수 있으며 구부러지는 소자 역시 제작이 가능하다. 또한 저렴한 유기물질을 주 재료로 사용하기 때문에 실리콘 태양전지와 비교하여 제작 비용을 크게 절감 할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 유기 태양전지의 활성층에 사용되는 유기 공액고분자는 실리콘과 같은 무기 물질에 비해 낮은 결정성과 전하 이동도를 가진다. 이러한 이유로 유기 태양전지의 활성층은 얇은 두께로 제작되어야만 하고, 결과적으로 이는 활성층의 광 흡수량을 감소시켜 광전류 형성에 불리하게 작용한다. 또한 유기 물질을 이용한 태양전지에서는 많은 에너지 손실이 일어나 낮은 개방 전압을 가진다. 그로 인해 다른 종류의 태양전지 보다 에너지 전환 효율이 낮다는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서 현재 유기 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 고효율 공액 고분자 물질 개발이 활발히 이루어지고 있다. 유기 태양전지의 효율은 활성층에 사용되는 유기물질의 구조에 따라서 다양한 효율 특성을 가진다. 다양한 구조의 광전자소자 유기물질들이 학계에 보고되어 있다. 특히 Quinoxaline 단량체를 뼈대로 사용한 전자주개 유기물질에 대한 연구가 많이 보고되어 있다. 본 연구는 Quinoxaline 뼈대의 다양한 교호 공중합체를 이용하여 유기 광전소자를 제작하고 특성을 분석한 연구이다. 본 연구에 사용된 교호 공중합체는 강력한 전자주개인 Thiophene 단량체와 강력한 전자받개인 Quinoxaline 단량체 기반의 주기적 구조이다. 본 연구는 이 공중합체의 치환기 변화와 spacer의 유무에 따라 변하는 소자 특성을 광학적, 전기적, 형태학적 측면으로 다양하게 분석했다. 특히 유기 광전소자의 특성에 큰 영향을 미치는 전하이동성이 교호 공중합체의 치환기 종류와 spacer의 유무에 따라 변하는 경향을 보였다. 뿐만 아니라 최고준위 점유분자궤도와 최저준위 비점유 분자궤도는 교호 공중합체의 치환기가 달라짐에 따라 변하며, 이를 통해 유기 광전소자의 개방전압이 달라질 수 있다. 결론적으로 유기 광전소자의 특성은 교호 공중합체 치환기의 형태와 spacer 의 유무에 따라 달라진다. 이 결과를 XRD와 AFM 등 다양한 분석 방법을 통해 확인 했으며 교호 공중합체를 사용한 유기 광전소자 활성층의 결정성과 형태학적 차이가 소자 특성 변화의 주 원인임을 확인했다.