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열처리와 리간드 선정에 의한 하이브리드 태양전지의 최적화

전문가 제언: ○ 유기고분자 태양전지는 실리콘 태양전지의 높은 재료비와 다량의 에너지를 필요로 하는 가공비로 인한 보급의 문제점을 해결하기 위하여 등장하였다. 낮은 가공비와 생산규모 확장의 용이성 그리고 경량화 등의 희망으로 이 태양전지는 인기가 높아 연구 열기가 높다.

○ 매우 작은 나노결정 또는 양자점이 흡수한 하나의 광자가 복수의 여기자를 확실히 발생시킬 수 있음이 PbSe에서 최근 Los Alamos 연구소의 연구그룹에 의해 실험적으로 입증되었다. 따라서 미국의 National Renewable Energy Laboratory의 A.J. Nozik의 학설이 인정받아 광전변환효율 한계가 31%에서 40%로 올라갔다.

○ 전자주개 공액고분자에 전자받개 CdSe 양자점 등의 나노결정 사용은 또한 여기자 해리와 전하수송을 용이하게 해주어 유무기 재료의 장점을 살릴 수 있는 하이브리드 태양전지의 인기를 높여주었다. CdSe의 낮은 종횡비는 고함량을 필요로 하므로 종횡비가 높은 SWNT로 최소 함량을 시도하기도 하였다. 적당한 종횡비를 가진 나노막대, 테트라포드 등의 형상의 CdSe를 사용한 디바이스에서 최고 변환효율 2.6%, 2.8%를 달성한 것이 하이브리드 태양전지의 현재 최고 수준이다.

○ 본문에서 저자들은 상기 형태의 CdSe의 종횡비보다 떨어지는 통상의 나노결정(양자점)의 종횡비를 키우기 위해 P3HT와 CdSe 사이의 적당한 응집크기를 정교하게 만들어 태양전지디바이스에 활용한 연구를 소개하고 있다. 이 응집이 활성층막 두께에 이르도록 여러 리간드로 CdSe의 나노결정을 피복하고 열처리를 하였다. 리간드의 선정 및 열처리온도가 최적 모폴로지와 상 분리에 결정적이었음을 소개하고 있다.

○ 부틸아민리간드가 최고의 변환효율을 보였고 이 리간드는 CdSe의 가용성을 향상시키나 P3HT의 가용성을 저하시켜 모폴로지는 평활해지나 상 분리를 해쳤다. 열처리 온도는 105~122℃가 P3HT의 산소제거에 유효하였다. 이 리간드와 열처리 온도에서 모폴로지와 상 분리를 정교하게 제어하여 활성층인 CdSe 양자점과 P3HT 블렌드막의 AM1.5D(100mW/㎠) 하에서 1.8%의 현재까지의 최고 파워 변환효율 달성을 소개하였다.

저자: J.D. Olson et al
자료유형: 학술정보