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고분자 태양전지에서 재현성 있는 고효율 달성을 위한 다중 파라미터의 최적화

전문가 제언: ○ 유기 고분자 태양전지는 현재 태양전지 시장을 지배하는 고가의 실리콘 태양전지 및 이의 염가 대체기술인 염료감응 태양전지보다 더욱 경제성 있고 높은 생산성의 희망을 보여 연구가 활발하다. 그러나 고분자 태양전지의 파워변환효율은 현재 단일 셀로는 5.5%대, 탠덤 셀로 6.5%대가 최고 기술 수준이다. 이는 염료감응 태양전지의 약 50%에 불과하여 효율 향상을 위한 연구가 한창이다.

○ 현재 고분자 태양전지의 기술은 전자주개의 폴리티오펜계 공액고분자인 P3HT와 전자받개의 풀러렌계 유도체인 PCBM과의 용액 내 블렌드인 벌크이종접합이 핵심을 이루고 있다. 스핀코팅된 활성층은 열처리로 변환효율이 향상된다. 고분자 태양전지의 변환효율 향상에는 더 좁은 띠간격에 의한 흡수띠 확장, 두 성분 사이의 계면 확대에 의한 여기자의 분리, 분리된 전하의 재결합 없는 전하수송이 필요하다. 수분 및 산소 침투에 내성 있는 셀 구성 성분, 장기 수명을 위한 유연성 있는 캡슐화가 금후의 과제이다.

○ 지금까지 고분자 태양전지에서 연구 실적의 여러 보고가 있었는데 이들이 최적화 기술의 결과인지 아니면 진정한 기술 향상의 결과인지 불분명한 경우가 종종 있었다. 또한 많은 최적화 보고는 단일 파라미터에 대한 것이 많고 여러 파라미터 사이의 상호 관련성 연구는 적었다. P3HT:PCBM 활성층 최적화 기술에는 블렌드 비(PCBM의 농도), 막 두께(스핀 회전수), 열처리 온도 및 시간 최적화 등 일반적으로 4개의 생산 파라미터가 필요하다. 열처리는 155℃에서 5분의 조건이 인정되었다.

○ 본문에서 독일의 저자들은 P3HT:PCBM 벌크이종접합 태양전지의 최적화를 위한 여러 파라미터 중 가장 영향력이 큰 PCBM 농도 및 막 두께의 결합된 영향을 체계적으로 연구하여 소개하고 있다. PCBM 농도와 막 두께 그리고 막의 모폴로지 사이의 상호의존적 관계를 명확히 밝혔다. 변환효율 향상에는 블렌드의 두께가 얇은 경우 더 높은 PCBM 농도가 필요하고, 후막에서는 낮은 PCBM 농도가 필요한 역방향 거동이 발견되었다. 최적 태양전지의 변환효율 조건의 하나는 후막에서 PCBM 농도 33.3%, 900rpm이며, 이때 변환효율은 3.5%를 초과하였다.

저자: Joachim A. Renz et al
자료유형: 학술정보