Study on Charge transport and Interface Characteristics in Bulk Heterojuntion Organic Solar Cells

Abstract

환경 문제에 대한 관심이 계속해서 증가하고 있으며, 화석 연료 사용을 줄이고 대체 에너지원의 채택을 늘리기 위한 지속적인 노력이 이루어지고 있다. 그 중에서도 태양 에너지는 무한한 공급과 환경 친화성 덕분에 중요한 대체 에너지원으로 자리 잡고 있다. 태양 에너지를 활용하기 위해 다양 한 유형의 태양전지가 연구되고 있으며, 그 중 유기태양전지가 유망한 대안으로 떠오르고 있다. 유기 태양 전지는 기존 태양 전지에 비해 많은 이점을 제공하여 미래 전자 기기의 핵심 구성 요소로 꼽 힌다. 여기에는 낮은 생산 비용, 용이한 처리, 환경 친화적인 소재, 가볍고 유연한 기판으로 제작할 수 다는 점 등이 포함된다. 반면, 기존의 실리콘 기반 태양 전지는 효율은 높지만 비싸고 무겁고 딱 딱하여 다양한 형태로 적용하는데 한계가 있다. 유기 태양 전지는 유연한 특성으로 인해 얇고 가벼 운 기판 위에 제작할 수 있다. 또한, 상대적으로 높은 광 흡수율을 보여 휴대용, 접이식, 신축성 있는 장치 제작이 가능하다. 이러한 다재다능함은 혁신적인 응용을 위한 새로운 가능성을 열어주며, 유기 태양 전지는 재생 에너지 분야에서 흥미로운 연구 개발 분야가 되고 있다. 저분자 및 고분자 소재를 사용하는 유기 태양 전지는 높은 효율과 안정성을 달성하기 위해 활성 층에 벌크 헤테로 접합 또는 이중층 구조를 사용한다. 벌크 이종 접합을 가진 유기 태양 전지의 효 율을 높이기 위해서는 활성층 내에서 엑시톤 해리 및 효율적인 전하 분리 및 추출을 위해 도너-억셉 터 계면에서 나노 크기의 상호 침투 네트워크를 제어하는 것이 중요하다. 또한, 계면에서의 에너지 장벽은 전하 추출 효율을 감소시켜 궁극적으로 태양 전지의 효율을 직접적으로 떨어뜨릴 수 있다. 이러한 에너지 장벽은 계면 재료의 전자 에너지 레벨의 불일치뿐만 아니라 계면 쌍극자에서도 발생 하여 에너지 정렬의 불일치에 기여한다. 계면 소재는 이러한 쌍극자를 완화하고 일함수를 조정함으 로써 적절한 전자 에너지 정렬을 확립하고 원할하고 선택적인 전하 추출을 촉진하여 태양전지의 효 율을 향상시킬 수 있다. 따라서 유기 태양 전지의 게면 공학은 전하 이동을 용이하게 하는 것을 목 표로 하며, 고효율 유기 태양 전지를 구현하기 위한 핵심 기술이 되었다. 본 연구에서는 유기 태양 전지 소자의 각기 다른 계면을 타겟으로 하여, 계면 제어에 따른 전기적, 광학적 특성을 분석하였고, 분석을 통해 효율과 안정성 향상을 위한 최적의 계면 형성 방법을 고안하였다. 특히, 활성층과 전하 수송층 사이의 계면특성을 동시에 향상시킬 수 있는 방법으로 공액 저분자 전해질을 활성층 생성과 정에 투입하였다. 이로인해 계면 특성을 향상시킬뿐만 아니라 동시에 제작과정 또한 간소화 할 수 있었다. 또한, 모폴로지 최적화를 위해 도너 물질의 전자끌기 및 전자공여성 그룹의 치환기를 조절하 여 전하 추출 특성을 향상시켰다.