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벌크이종접합 태양전지의 나노 모폴로지와 효율에 미치는 가공첨가제 영향 고찰

전문가 제언: ○ 고분자 태양전지는 재료비가 저렴하고 대규모 생산이 가능한 용액가공의 장점이 있어 변환효율(PCE) 목표 10%를 목전에 두고 연구개발이 활발하다. 오늘날 고분자 태양전지는 전자주개 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT)과 전자받개 풀러렌 유도체(PCBM) 사이의 벌크이종접합(BHJ) 기술이라고 할 수 있다. 이 벌크이종접합 태양전지(BHSC)의 박막 나노 모폴로지가 광흡수영역 확대 못지않게 태양전지 성능에 상당한 영향을 미치고 있다.

○ 이 글에서는 고분자 태양전지 효율제한 인자 및 박막 모폴로지 제어법의 개요를 소개하고, 제조 후에 추가공정인 열처리의 후가공 기술을 성공적으로 대체할 수 있는 가공첨가제 효과를 집중 설명하고 있다. 이 후가공은 최근 광흡수영역 확대를 가능케 하는 낮은 띠 간격의 PCPDTBT:PC70BM 블렌드에는 효과가 없다. 증발속도가 낮은 용매 사용에 의한 PCE 향상은 제조환경 제어의 문제가 있다. 최근 주개와 받개 용액에 제3의 비반응성 화합물인 가공첨가제를 가하여 블렌드 박막 모폴로지를 제어하는 새로운 방법이 보고되고 있다.

○ 가공첨가제 중 고분자의 불량용매를 주 용매에 첨가하는 방법이 유명하고, 고비등점의 불량용매인 여러 종류의 알칸-티올 용매 사용에 의한 효과가 가장 현저하다. PCBM 성분만을 선택적으로 용해하여 용액 속에 오래 머물게 해 자유로운 결정화에 따른 응집체 발생으로 상분리와 모폴로지가 향상되어, 이동도 그리고 PCE를 향상시킨다. PCPDTBT/ C71-PCBM의 BHSC에 소량의 알칸-티올 도입으로 PCE를 2.8%에서 5.5%로 놀랍게 두 배 향상시키고, P3HT/PCBM 성능 향상도 보고되고 있다.

○ 한국의 광주과학기술원(GIST)은 수년전 이광희교수와 A.J. Heeger교수에 의한 단일셀 및 탠덤셀에서 세계 최고의 변환효율을 보고하였다. 2008년 이재관, 이광희, Heeger 등의 R 작용기 함유 1,8-di(R)octane 고비등점 불량용매 첨가제 사용에 의한 박막 모포롤지 제어와 PCE 향상의 메커니즘 규명 보고가 314회 인용되고 이 글도 이를 인용하고 있다. 2010년 GIST의 이창렬박사는 고분자 태양전지의 고효율을 위한 새로운 연구분야인 삼중항 여기자 생성원의 인광염료 사용 효율향상의 한계를 밝혔다. 앞으로 활발한 주개/받개 재료 등의 창의적 연구가 기대된다.

저자: Almantas Pivrikas et al
자료유형: 학술정보