Organic photovoltaic (OPV) devices offer promising advantages such as low-cost and large-area fabrication on flexible substrates. However, the main handicap of these OPV devices is the low power conversion efficiency (PCE). Main limitation of such low PCE is short diffusion length (~10 nm) of exciton (electron-hole pair) in organic materials. Excitons dissociate into free electrons and holes in the donor-accepter interface with this short diffusion length(~10nm) before exciton decay occurs. In recent years, bulk-heterojunction (BHJ) structure was employed to create more dissociation sites by expanding the interface area for exciton dissociation. Still, even if an increased amount of excitons were dissociated into charge carriers, the transport of the dissociated charge carriers toward each electrode would be prevented by low electron and hole mobilities ($<10^{-4} cm^2/V^{-1}s$) in organic materials. Moreover, the narrow absorption range limited visible light of polymer is another reason of low PCE of OPV devices.
An alternative approach in this direction is the introduction of one-dimensional (1D) nanostructures like carbon nanotubes (CNTs), which act as exciton dissociating sites and conductive pathway with high carrier mobilities, in addition to being broad absorption range expanded to infrared due to energy band gap(0.8eV) of CNTs. To enhance performance of OPV devices by this approach, well blending of CNTs and photoactive polymers is required. However, relevant work has shown that the performance of OPV devices was compromised because it was difficult to disperse CNTs in polymer matrix homogeneously.
In this work, CNT/polymer/fullerene nanocomposites were fabricated from regioregular poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and a fullerene derivative 1-(3-methoxycarbonyl) propyl-1-phenyl[6,6]C61 (PCBM) and functionalized Single Wall Carbon Nanotubes (SWNTs) by alkyl-amide groups for high dispersion of CNT in organic media. Organic solar cell was fabricated from these nanocomposites as photo-active layer and their property showed 40% enhancement of power conversion efficiency (PCE) than organic solar cell without CNT. PCE of organic solar cell with 0.2wt% CNT was recorded PCE of 4.4% with an open circuit voltage (Voc) of 0.57V, a current density at the short-circuit (Isc) of 14.6 mA$cm^{-2}$ and a fill factor of 52% (irradiance of 100 mW$cm^{-2}$ spectroscopically distributed following AM1.5).
현재 세계적으로 석유자원의 고갈이 예상됨에 따라 유가가 급격히 상승하여 대체 에너지 개발에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 태양에너지를 이용한 태양광 발전은 앞으로의 미래 에너지 생산에 중요한 비중을 차지할 것으로 기대되고 있다. 하지만 실리콘 태양전지의 경우 실리콘 소재의 가격 급등 및 설치 면적의 급상승으로 인하여 시장 확대에 어려움이 있어 이를 극복하기 위한 저가의 소재 개발 및 공정의 확립이 중요한 문제로 대두되고 있기 때문에, 기존의 실리콘 태양전지 대비 20 % 또는 그 이상의 가격 절감이 가능하고 굽힘성 및 투명성 등의 장점이 있는 유기태양전지의 개발이 시급한 상황이다. 그러나 유기태양전지의 경우, 에너지 변환 효율이 약 3~5%로 기존의 무기물 반도체 태양 전지의 효율(10% 이상)에 비해 낮은 단점을 가지고 있는데, 이를 극복하고 유기태양전지의 효율을 획기적으로 향상시키기 위해서는 가시광선 영역에 국한되는 고분자의 광학적 특성을 개선하고, 태양전지의 전하 이동도를 향상시킬 수 있는 소재의 개발과 이에 따른 새로운 구조를 도입하는 것이 필요하다.
탄소나노튜브는 높은 강도와 전기 전도도를 가지고 있으며, 가전대(valance band)의 에너지 준위가 -5.1eV로 ITO 및 금속전극과 기존의 전도성 고분자 사이에서 자발적으로 hole을 전극으로 이동시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 에너지 준위의 구조에 의해 적외선 영역에서 빛을 흡수 할 수 있다. 따라서 탄소나노튜브/고분자(active layer) 나노복합재료를 이용하는 경우 전도도가 높고 기계적으로 안정한 태양전지를 제조할 수 있다. 하지만 현재까지 보고된 탄소나노튜브 나노복합체를 이용한 유기태양전지 관련연구는 지금까지 보고된 5% 수준의 유기태양전지 효율에는 크게 미치지 못하고 있는데, 그 원인은 탄소나노튜브가 긴 장대비에 의해 강한 반데르발스 힘(van der Waals force)에 의해 응집된 상태를 이루기 때문이다. 탄소나노튜브가 유기태양전지의 광활성층(active layer)내에서 응집된 상태로 존재 할 경우 효율을 극대화 할 수 있도록 최적화된 고분자내의 상 분리를 저해하기 때문에 전체적인 효율을 감소시키게 된다.
본 연구에서는, 탄소나노튜브에 화학적 기능기를 부여함으로써 그 표면을 개질하여 유기용매 내에 균질 분산될 수 있는 탄소나노튜브를 제조하고 이렇게 유기용매 내에 균질 분산된 탄소나노튜브를 유기태양전지의 광활성층에 이용하여 효과적인 여기자의 분리 및 전극으로의 전하 수집이 용이하게 하여 고효율의 유기태양전지를 제조하고 그 특성을 평가하였다.
기본적으로 탄소나노튜브는 수 나노미터 수준의 두께와 긴 장대비로 인한 강한 반데르 발스힘(Van der waals force)를 가지며, 이로 인해 주로 응집체의 형태로 존재하기 때문에 용해되거나 분산되기 어려워 그 자체로는 직접 사용이 어렵다. 본 연구에서는 탄소나노튜브를 고분자 기지에 효율적으로 복합화 하기 위하여 탄소나노튜브 표면에 화학적 기능기인 알킬 아마이드기(alkyl-amide CNT)기를 부여함으로써, 탄소나노튜브의 유기용매 내의 균질분산문제를 해결하였다. Alkyl-amide CNT는 유기용매내 높은 분산성을 가지기 때문에 Poly-3-hexylthiophene (P3HT) 와 같은 광활성층에 사용되는 고분자와 유기용매상에서 균일하게 혼합될 수 있게 된다.
탄소나노튜브를 유기 태양전지 광활성층에 균일하게 복합화할 경우, 기존의 고분자 기지가 가시광선영역의 흡수에 국한되는 것과 달리 탄소나노튜브가 적외선 영역의 파장까지 빛을 흡수 할 수 있기 때문에 유기 태양전지의 전반적인 광 흡수를 증가시킬 수 있게 된다. 또한 광활성층 표면의 거칠기가 탄소나노튜브의 함량에 따라 증가하게 되는데, 이로 인해 표면적이 증가하여 효과적인 전하의 수집을 가능하게 할 수 있다.
뿐만 아니라, 유기박막트랜지스터 (Organic Thin Film Transistor; OTFT)제조를 통하여 소자의 특성을 분석한 결과 전기적 특성이 우수한 탄소나노튜브의 복합화에 따라 전하 이동도가 약 2배 정도 증가하는 것을 확인하였다.
위와 같이, 향상된 높은 전기 전도도로 인해 유기태양전지 광활성층에 광전류 증가 효과를 가져오고 이는 전체적인 소자의 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 이렇게 소수성 용매에 균질분산된 탄소나노튜브를 고분자기지와 복합화 하여 태양전지를 제조할 경우, 탄소나노튜브에 의한 빛 흡수 영역 확대와 광활성층 표면 조도 증가, 전하이동도 증가에 의해 소자의 단락 전류가 증가되었고 이로 인해 소자의 효율이 약 3.2%에서 약 4.4%로 크게 증가하는 것을 확인하였다.
