Photovoltaic devices based on polymer materials for renewable electrical power and sustainable energy have been the target of research worldwide and substantial progress in numerous aspects. There are many advantages of polymer solar cells such as low cost, light weight, large area, mechanical flexibility and easy to processability.
The aforementioned factors influence the efficiency of photovoltaic cells, the absorption spectrum of the active layer, the morphology, donor and acceptor’s HOMO and LUMO level, film morphologies, charge carrier mobility and the work functions of electrodes. Also the performance of polymer solar cells has been improved by using new materials and new structure in devices.
The impact of incorporation of a $TiO_x$ interlayer prepared from a newly designed precursor between the active layer of a polymer solar cell and an Al electrode is reported here. Devices with the $TiO_x$ interlayer prepared from the polymeric precursor shows greatly enhanced thermal stability compared to those with a $TiO_x$ interlayer prepared from titanium isopropoxide, which current the most widely employed precursor for the interlayer. This is attributed to the $TiO_x$ interlayer prepared from the polymeric precursor has relatively fewer reactive sites and undergoing a small morphological change during operation at high temperature, thus resulting in reduced interfacial destruction between Al and the active layer. Hence, it is possible to obtain enhanced cell performance with the $TiO_x$ layer from the polymeric precursor even at high temperature.
고분자를 이용한 태양전지는 기존의 무기 태양전지 보다 낮은 제작 단가와 기계적 유연성, 가벼운 무게를 토대로 대면적화가 가능하다는 점과 비교적 쉬운 스핀 코팅 공정을 적용하기 때문에 현재 전세계적으로 가장 매력적인 연구테마로 활발한 연구가 진행되고 있다. 기존의 무기 태양전지 보다 낮은 효율측면이 문제가 되고 있지만 수많은 연구 그룹들이 고분자 태양전지의 성능을 높이기 위해 소자에 새로운 물질이나 새로운 구조를 도입하여 6% 이상의 효율을 보고하면서 점차 산업화에 적용 가능한 발전을 이루고 있다. 고분자 태양전지의 성능에 영향을 미치는 요인으로는 주로 활성층의 흡수 스펙트럼, 전자 주게와 전자 받게 물질의 호모, 루모 레벨차이, 전극들의 일함수 그리고 활성층의 영역 내부의 구조적인 형태와 전하 수송체의 이동성 등이 있으며, 화학공학, 재료공학, 전자공학 측면에서의 복합적인 기술융합이 요구되는 학문분야라고 말 할 수 있다.
본 논문에서는 열적 안정성이 우수한 고분자화 된 타이타늄 옥사이드를 합성하여 고분자 태양전지에 보호층으로 적용함으로써 고효율과 내구성을 동시에 가져오는 데 초점을 맞추었다. 고분자화 된 타이타늄 옥사이드는 메탄올과 타이타늄 아이소프로폭사이드, 증류수와 글레이셜 아세트산을 적정 비율로 최적화 하여 합성한다. 이 경우 산의 영향에 의해 타이타늄과 산소원자간 결합이 기존의 타이타늄 옥사이드보다 선형 고분자 형태로 성장하게 되어 소자에 도입하면 전류 값(Jsc)을 증가시키는 효과를 가져온다. 이것은 타이타늄 옥사이드가 열적안정성을 갖기 때문에 알루미늄 전극 증착 후에 열처리를 하는 포스트 어닐링 시에도 그 성능을 안정적으로 높일 수 있음을 보여준 결과이다. 특히 열처리 전후에도 활성층의 모폴로지 변화가 거의 없기 때문에 알루미늄 전극까지의 전자 전달 및 홀의 이동을 막아주는 타이타늄 옥사이드 층 고유의 역할이 열처리 중에도 잘 유지된다고 할 수 있다. 또한 일반적으로 저진공에서 알루미늄을 증착할 경우 전극표면이 불완전해 지는데, 이때 활성층과 알루미늄 전극 사이에 고분자화 된 타이타늄 옥사이드 층을 도입하게 되면, 불완전해진 계면의 전자 이동통로를 확보하기 때문에, 고진공에서 제작된 소자와 비슷한 성능을 보여 줄 수 있음도 확인하였다.
고분자 태양전지의 가장 큰 문제점이라 할 수 있는 수분과 산소에 의한 소자 파괴를 생각해 볼 때, 고분자화 된 타이타늄 옥사이드 층을 적절한 두께로 최적화 하여 스핀코팅 할 경우, 소자의 수명과 안정성을 높여 줌으로써 우수한 보호막의 역할을 한다는 사실도 확인하였다.
결론적으로 타이타늄 옥사이드를 아세트산을 이용하여 합성하게 되면, 선형 고분자 사슬 형태로 성장하는데, 어닐링을 통해 활성층과 전극간의 우수한 계면 접촉효과를 가져와 고효율의 태양전지를 구현할 수 있었다. 또한 태양전지의 특성상 장시간 햇빛에 노출 되어야 하기 때문에 고온 환경 하에서 내구성이 필요하다는 점에서 고온안정성 효과도 확인해 볼 수 있었다. 장차 태양전지의 새로운 구조를 디자인하거나 우수한 중간층의 역할로 고분자화 된 타이타늄 옥사이드가 여러 응용분야에 적용 될 것으로 생각한다.
