We report here the applied device at which we introduce PSS-ionomer in order to improve the efficiency. The applied device is composed of P3HT, PCBM, and PSS-ionomer. P3HT plays a role of an electron donor and PCBM plays a role of an electron acceptor. The newly introduced PSS-ionomer is used to assist the PCBM. However, PSS-ionomer unintentionally performs the role interrupting the PCBM as well as the role assisting the PCBM. In other words, ionic part of PSS-ionomer provides the positive effect to the device, but PS part of PSS-ionomer provides the negative effect to the device.
Due to the property of arrangement of the device, ionic clusters in the PSS-ionomer form local electric dipoles, which assist the movement of electron and hole. Specifically speaking, the materials that are composed of the device have their own energy level and bandgap so that the difference of energy level of the materials generates the internal electric field. And the internal electric field induces the formation of the electric dipole of ionic clusters. After all, ionic part plays a role of the enhancement of carrier mobility so that it provides synergistic effect to the device along with PCBM.
On the other hand, the case of PS part is the different case. Polystyrene is an insulating material. Therefore PS part of PSS-ionomer cannot transfer the electron and hole. In other words, because PS part exists between the pathways for the movement of electron and hole, it reduces the mobility of electron and hole. In addition, PS part of PSS-ionomer has the tendency of forming the interface with PCBM. This characteristics of PS part has the negative effect on the formation of interface between P3HT and PCBM. Namely, PS part / PCBM interface alternates P3HT / PCBM interface about some interfacial area.
After all, due to two effects that are contrary to each other, we can confirm the effect of the device on the various cases. Firstly, when the effect of ionic part is stronger than the effect of PS part, the efficiency of the device composed of P3HT / PSS-ionomer / PCBM blend is higher than the efficiency of the reference device. (The cases that the weight ratio of (P3HT : PSS-ionomer : PCBM) is (45 : 5 : 50), (40 : 10 : 50), and (35 : 15 : 50) correspond to this case.)
Secondly, when the effect of PS part is stronger than the effect of ionic part, the efficiency of the device composed of P3HT / PSS-ionomer / PCBM blend is lower than the efficiency of the reference device. (The cases that the weight ratio of (P3HT : PSS-ionomer : PCBM) is (30 : 20 : 50), (25 : 25 : 50), (20 : 30 : 50), (15 : 35 : 50), (10 : 40 : 50), and (5 : 45 : 50) correspond to this case.)
Thirdly, when the difference between the effect of ionic part and the effect of PS part is the biggest (the effect of ionic part >> the effect of PS part), the device has the maximum efficiency. (The case that the weight ratio of (P3HT : PSS-ionomer : PCBM) is (40 : 10 : 50) corresponds to this case.)
Finally, we can confirm the optimum weight ratio of the PCBM for the optimum condition, from the AFM images and J V curves on the various weight ratios of the PCBM. [When the weight ratio of ((P3HT + PSS-ionomer) : PCBM) is (50 : 50), we can acquire the optimum condition.]
After all, before the weight ratio of (40 : 10 : 50), according as the weight ratio of PSS-ionomer increases, the efficiency of the device was enhanced more and more. And then, when the weight ratio of (P3HT : PSS-ionomer : PCBM) arrived at (40 : 10 : 50), the efficiency of the device acquired the value of the peak state. After the weight ratio of (40 : 10 : 50), according as the weight ratio of PSS-ionomer increases, the efficiency of the device decreased continuously.
효율을 향상시키려는 목적으로 술폰화된 폴리스타이렌 이오노머를 도입하여 만든 고분자 태양전지 소자에 대해 설명하고 있다. 그 소자는 폴리씨오펜, 플로렌 유도체, 그리고 술폰화된 폴리스타이렌 이오노머로 이루어져 있다. 여기서 폴리씨오펜은 전자 주 게로서의 역할을 수행하고 있으며, 플로렌 유도체는 전자 받게로서의 역할을 수행하고 있다. 그리고, 술폰화된 폴리스타이렌 이오노머는 전자 받게인 플로렌 유도체를 도와주는 역할을 수행하고 있다. 그러나, 의도적이지 않게도 술폰화된 폴리스타이렌 이오노머가 플로렌 유도체를 돕는 역할뿐 아니라, 플로렌 유도체를 방해하는 역할까지도 수행하고 있다. 즉, 술폰화된 폴리스타이렌 이오노머의 이온부분이 소자에 긍정적인 영향을 미치는 반면, 술폰화된 폴리스타이렌 이오노머의 폴리스타이렌 부분은 소자에 부정적인 영향을 미치는 것이다.
소자 배열의 특성상, 술폰화된 폴리스타이렌 이오노머의 이온 다발들은 국부적인 전기적 쌍극자를 형성한다. 그리고 이러한 전기적 쌍극자는 전자와 홀의 의 이동을 도와준다. 구체적으로 말하면, 소자를 구성하는 물질들은 각자 자기자신만의 에너지 레벨과 밴드갭을 지니고 있어서, 이러한 물질들간의 에너지 레벨의 차이가 내부전기장을 형성시킨다. 그리고, 이 내부전기장은 이온 다발들의 전기적 쌍극자의 형성을 유도한다. 결국, 이온부분이 수송체들의 이동성을 향상시키는 역할을 수행함으로써, 플로렌 유도체와 함께 소자에 상승적인 효과를 마련한다.
반면에, 술폰화된 폴리스타이렌 이오노머의 폴리스타이렌 부분은 다른 경우이다. 폴리스타이렌은 절연물질이다. 따라서 술폰화된 폴리스타이렌 이오노머의 폴리스타이렌 부분은 전자와 홀을 전달할 수 없다. 즉, 폴리스타이렌 부분이 전자와 홀의 이동 통로 사이에 존재하기 때문에 전자와 홀의 이동성을 감소시킨다. 게다가, 술폰화된 폴리스타이렌 이오노머의 폴리스타이렌은 플로렌 유도체와 계면을 형성하는 경향이 있다. 이러한 폴리스타이렌 부분의 특성이, 폴리씨오펜와 플로렌 유도체 사이의 계면 형성에 부정적인 영향을 미친다. 즉, 폴리스타이렌 부분과 플로렌 유도체 사이의 계면이 폴리씨오펜과 플로렌 유도체 사이의 계면 일부를 대체한다.
결국, 이러한 대조적인 두 효과들에 기인하여, 우리는 다양한 경우의 소자 효과에 대해 확인할 수 있다. 첫째로, 이온부분의 영향이 폴리스타이렌 부분의 영향보다 강할 경우에는, 기본소자보다 높은 효율을 보인다. (폴리씨오펜 : 술폰화된 폴리스타이렌 이오노머 : 플로렌 유도체 의 무게비가 (45 : 5 : 50), (40 : 10 : 50), (35 : 15 : 50)인 경우, 이에 해당된다.)
둘째로, 폴리스타이렌 부분의 영향이 이온부분의 영향보다 강할 경우에는, 기본소자보다 낮은 효율을 보인다. (폴리씨오펜 : 술폰화된 폴리스타이렌 이오노머 : 플로렌 유도체 의 무게비가 (30 : 20 : 50), (25 : 25 : 50), (20 : 30 : 50), (15 : 35 : 50), (10 : 40 : 50), (5 : 45 : 50)인 경우, 이에 해당된다.)
셋째로, 이온부분의 영향과 폴리스타이렌 부분의 영향 사이의 차이가 가장 강할 때 (이온부분의 영향이 폴리스타이렌 부분의 영향보다 클 때), 소자는 최고의 효율을 보인다. (폴리씨오펜 : 술폰화된 폴리스타이렌 이오노머 : 플로렌 유도체의 무게비가 (40 : 10 : 50)인 경우, 이에 해당된다.)
마지막으로, 플로렌 유도체에 대한 다양한 무게비에서의 원자현미경 사진들과 전류밀도 - 전압 곡선들로부터, 최적 조건을 위한 플로렌 유도체의 최적 무게비를 알 수 있다. 즉, (폴리씨오펜 + 술폰화된 폴리스타이렌 이오노머)와 플로렌 유도체의 무게비가 50 : 50일 때, 최적 조건을 얻을 수 있다.
