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유기태양전지에서 제자리중합에 의한 단일벽 탄소나노튜브의 기능화

전문가 제언: ○ 여러 재생에너지 기술 중 염가와 용액 가공의 획기적 생산성 비전으로 인기를 끌고 있는 현재의 유기태양전지(OSC)는 그 활성층 기술이 벌크이종접합(BHJ)에 기반을 두고 있다. BHJ를 이루는 전자주개로는 여러 공액고분자가 있으나 P3HT(폴리 3-헥실티오펜)가 상업화되었고 이의 대체 연구도 활발하다. BHJ의 전자받개로는 용매에 가용성인 풀러렌의 유도체인 PCBM이 유일한 재료가 되고 있다. 따라서 고가의 PCBM 대체가 유기 태양전지 상업화의 시급한 과제의 하나가 되고 있다.

○ 고전도성의 풀러렌, 탄소나노튜브(CNT) 등의 대안이 연구되고 있으나 용매 가용성 및 분산이 문제되었다. 2008년 Blau 등은 CNT의 여러 유형 및 형상 그리고 함량이 P3HT 주개 고분자의 유기태양전지 성능에 미치는 연구 결과를 보고하였다. 분산은 클로로포름용매와 초음파 처리에 의해 해결되었다. CNT는 단일벽, 다중벽의 유형뿐만 아니라, 직경이나 길이에도 관계없이 함량 증가에 따라 핵심성능이 크게 향상되어 약 5wt에서 최고 성능을 보였다. CNT가 고분자의 핵제로 결정성을 향상시켜 여기자 해리와 전하통로 형성에 큰 역할을 한 것으로 보고되었다.

○ 본문에서 저자들은 고가의 PCBM 대체 목적과 함께, 통상의 유기태양전지의 벌크이종접합의 약점인 전하수송의 효율 향상을 위해 고전도도 SWNT의 기능화에 의한 벌크분자이종접합 기술을 소개하고 있다. 이는 전자주개 공액고분자와 인접의 다수 전자받개 사이의 공유결합에 의한 계면 형성 기술이다. 여러 함량의 SWNT와 poly[(2-methoxy, 5-octoxy) 1,4-phenylenevinylene](MO-PPV)의 나노복합체를 제자리 중합으로 만들고 이 활성층을 사용한 유기태양전지의 성능을 소개하였다.

○ MO-PPV/SWNT의 나노복합체는 잘 정의된 계면을 가지며 소량의 SWNT 첨가 시 PL이 뚜렷하게 소멸되어 여기자 해리가 잘 진행됨을 보였다. SWNT 10wt% 함유 시 ITO/활성층(MO-PPV:SWNT)/Al 셀은 단락전류밀도 및 파워변환효율의 최고 성능을 보였다. 이들 성능은 순수 고분자보다 10배 이상이고 Fill Factor도 크게 향상되었다. 아직 성능은 모자라지만 고분자의 제자리 중합에 의한 CNT의 기능화로 공유결합에 의한 나노복합체 형성 기술은 새로운 전자받개 기술을 열고 있다.

저자: Daqin Yun et al
자료유형: 학술정보