Organic photovoltaic (OPV) cell is a good candidate for cost effective, solution processable and light weight electronic devices. Typically fabricated OPVs are consisted of ITO (anode), active layer coated from P3HT(poly(3-hexylthiophene)) / PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester) blend solution and metal cathode layer. However, excitons generated from conjugated polymers have a few nanometers diffusion length, such that charged carriers cannot be completely dissociated into each electrode including ITO and metal cathode.
To solve this problem, we introduced n-type and p-type doped one-dimensional nanostructured carbon nanotubes (CNTs) within P3HT / PCBM blend solutions. n-type and p-type CNTs mean nitrogen and boron replaced carbon atoms in the graphite networks respectively. n-type and p-type CNTs can split excitons generated from conjugated polymers and easily transfer the charged carriers. Therefore, CNTs provide a good charge pathway to improve the carrier mobility within active layers of OPVs.
We also found that n-type and p-type substitutional atoms in the CNTs can modify the HOMO, LUMO, and work function. Therefore, we can design the structure of OPVs by modifying the work function. Doped CNTs in active layer increased the carrier transfer rate, which enhanced the short-circuit current density and power conversion efficiency under AM1.5G illumination ($100mWcm^{-2}$).
최근 유기태양전지의 효율을 향상시키기 위해 활성층(active layer)의 도너(donor)와 억셉터(acceptor)물질 개발에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 전기음성도가 커서 전자를 잘 받아들이는 성질로 인해 일반적으로 풀러린 (fullerene)계열의 물질이 억셉터로 사용되고 있으나, 이 물질은 용매에 대한 용해도가 낮고 전자의 이동이 풀러린 사이의 호핑(hopping)전도만으로 이뤄져서 상대적 으로 이동도가 느리다는 단점을 가지고 있다.
이러한 단점을 해결하기 위해 1-D 나노구조를 가지는 탄소 나노튜브를 유기태양 전지의 활성층에 적용하는 연구가 진행되고 있다. 그러나, 아직까지 CNT를 이용한 태양전지의 효율이 크게 향상되었다는 보고는 거의 없었다. 유기 태양전지의 효율증가를 위한 탄소나노튜브의 요구조건으로 우선 태양전지의 활성층내에서 탄소나노튜브가 균일하게 분산되어야 하고 형성된 대전된 담체 (charged carrier)가 효율적으로 이동하기 위해서 도너/억셉터 물질과 잘 맞는 에너지 준위를 가져야 한다.
따라서, 이러한 요구조건을 만족시키기 위해, 붕소(Boron)와 질소(Nitrogen)로 도핑된 탄소나노튜브를 유기태양전지에 적용 하였다. 붕소와 질소로 도핑된 탄소나노튜브는 암모니아 가스 분위기에서 열반응을 통해 제조하였다. 이렇게 제조된 도핑된 탄소나노튜브를 활성층에 적용하였을때, 특정 농도에서 태양전지의 효율이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 붕소 또는 질소가 도핑된 탄소나노튜브가 활성층에 들어감으로써, 질소 도핑된 탄소 나노튜브의 경우 에너지 준위가 도너의 전자(electron)를 받아서 이동하기에 가장 적합하고, 붕소 도핑된 경우에는 정공(hole)을 받아서 이동하기에 적합하였기에 태양전지 내에서 각각의 담체의 이동도가 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 특정 농도에서 활성층의 표면이 가장 균일하게 분포하여 소자의 효율이 증가하는 요인이 되었음을 확인하였다.
결과적으로 도핑과정으로 에너지 준위를 변형한 탄소나노튜브를 유기태양전지의 활성층에 넣어줌으로써 탄소나노튜브가 활성층내 고분자의 전도성 연결체 (conducting bridge) 역할을 하여 전자와 정공의 이동도를 향상시키고, 소자의 효율을 증대하였다.
