Organic solar cells (OSCs) have received considerable attention as a clean renewable energy source due to their advantages of being lightweight, cost-effective, highly flexible and mass producible via simple solution processing. In spite of these advantages, the commercialization of OSCs is still limited due to their low power conversion efficiency (PCE). The low charge mobility of organic materials increases the chance of carriers recombining or dissipating during the charge transport and collection states; as a result, the PCE is low.
One way of overcoming this problem is to introduce carbon nanomaterials with high charge mobility, such as carbon nanotubes (CNTs) and graphene. Incorporation of CNTs and graphenes into OSCs can enhance the device performance by providing highly conductive pathways for carrier transport or collection. In spite of the large potential of CNT and graphenes as charge transport or collection materials in OSCs, PCEs of these devices are still lower than conventional bulkheterojunction OSCs. Dispersion and band gap engineering of CNT and graphene nanocomposites should be considered for highly efficient OSCs.
In this research, a systematic study of CNT and graphene nanocomposites was proposed considering the characteristics of each of layers in OSCs. The OSC consists of the photo-active layer and charge transport layer excluding the electrodes, and the charge transport layer is also classified into the hole and electron transport layer. CNT and graphene nanocomposites were designed considering the characteristics of each of layers in OSCs; hole transport layer, electron transport layer and photo-active layer.
First, for hole transporting layer in OSCs, CNT/poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate), (PEDOT:PSS) nanocomposites were designed. The key factor for design of CNT/PEDOT:PSS nanocomposites is the homogeneous dispersion of CNTs by non-covalent functionalization for high optical transmittance and electrical conductivity. CNTs/PEDOT:PSS nanocomposites by non-covalent functionalization showed high electrical conductivity and optical transmission (634 Ω/sq sheet resistance at 94.7% transmission) due to minimizing the damage of CNTs during the functionalization. PCE of OSC using CNT/PEDOT:PSS was increased from 2.3% to 3.0% because of high electrical conductivity of CNT/PEDOT:PSS nanocomposites compared to OSCs using raw PEDOT:PSS.
Second, for electron transport layer in inverted OSCs, TiOx coated CNT nanocomposites were designed. The key factor for design of TiOx coated CNT nanocomposites is the enhancing the charge selectivity of CNTs by ultra-thin and conformal coating of TiOx with hole blocking property. Atomic layer deposition (ALD) can facilitate uniform and conformal coating of TiOx on CNT networks with preserving their nanoporous structure. The PCE of inverted OSCs that use CNT networks with an ALD coating of TiOx is enhanced by 30% on account of the increase in surface area and high conductive CNT networks. However, an inhomogeneous or thin coating of TiOx on CNT networks causes leakage currents due to low charge selectivity of CNTs, which tends to lower the PCE of inverted OSCs.
Last, for photo-active layer in OSCs, semiconducting graphene quantum dots (GQDs)/ poly-3-hexylthiophe (P3HT) and [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM) nanocomposites were designed. The key factors for design of GQD/P3HT:PCBM nanocomposites are controlling of the band gap of GQDs. GQDs were successfully fabricated by a two-step cutting process from graphene oxides (diameter: less than 5nm, heights: less than 2nm (1-3 layer thick)). Experimental data and computational analyses reveal that the charge transfer between functional groups and GQDs can tune the band gap of the GQDs due to the changing electron density in the GQDs. Band gap controlled GQDs were incorporated in P3HT:PCBM which is used as photo-active materials in general OSCs. 0.5 wt% addition of GQDs can enhance the light absorption of photo-active layer, it results in the enhancement of PCE of OSC (~ 20%) compared to that of OSC with raw P3HT:PCBM. However, 1 wt% addition of GQDs in P3HT:PCBM shows the lower PCE due to disruption of ideal BHJ structure of P3HT:PCBM.
We hope that these results can provide useful design criteria of carbon nanomaterial nanocomposites for highly efficient OSCs.
유기 태양전지는 신재생에너지로서 경량, 저렴한 가격, 유연성, 용액공정을 통해 대면적의 태양전지를 쉽게 제조할 수 있다는 장점이 있어, 많은 연구자들의 관심을 받고 있는 분야이다. 많은 장점에도 불구하고, 유기 태양전지의 상업화는 아직까지는 제한적이며, 이것은 유기물의 낮은 전하이동도에 의해 광여기에 형성된 전하가 효과적으로 이동 및 수집되지 못하여, 유기 태양전지의 전체적인 효율을 낮추기 때문이다.
이러한 문제점을 해결하고자, 탄소나노튜브나 그래핀과 같은 높은 전하이동도를 가진 탄소나노소재를 유기 태양전지에 도입하는 연구가 진행되어 왔다. 탄소나노튜브 및 그래핀을 유기 태양전지에 도입할 경우, 유기 태양전지의 전하 이동 및 수집을 효과적으로 높일 수 있어, 유기 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있다. 그러나 탄소나노튜브 및 그래핀의 높은 응용 가능성에도 불구하고, 실제적으로 이들을 사용한 유기 태양전지의 효율은 일반적인 벌크헤테로접합 구조의 유기 태양전지 비해 더 낮은 수준을 보이고 있다. 고효율 유기태양전지를 가능하게 위해서는, 먼저 탄소나노튜브 및 그래핀의 분산 및 밴드갭 제어를 통해, 이들을 유기 태양전지에 맞게 설계하는 기술이 필수적이다.
본 연구에서는 탄소나노튜브 및 그래핀 나노복합체를 유기 태양전지의 각 층의 특성에 맞게 체계적으로 연구하고자 하였다. 유기 태양전지는 전극을 제외하고, 광활성층 과 전하 전달층으로 이루어져 있으며, 전하 전달층에 경우, 정공 전달층 및 전자 전달층으로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 탄소나노튜브 혹은 그래핀을 각각의 정공 전달층, 전기 전달층 및 광활성층의 특성에 맞게 설계였다.
첫 번째로, 본 연구에서는 정공 전달층에 맞게 탄소나노튜브/PEDOT:PSS 나노복합체를 설계하였다. 설계의 주안점은 탄소나노튜브의 비공유 기능기화를 통해 탄소나노튜브의 기지 내 분산 문제를 해결함으로써, 높은 전기전도도 및 광투과도를 동시에 가지는 나노복합체를 제조하는 것이다. 기능기화 공정 중 탄소나노튜브의 손상을 최소화하여 높은 전기 전도도 및 광투과도를 동시에 가지는 탄소나노튜브/PEDOT:PSS 나노복합체를 제조할 수 있었으며 (면저항: 634 Ω/sq, 투과도: 94.7%) 이를 유기 태양전지에 정공 전달층으로 활용할 경우, 효과적인 정공 수집에 의하여 효율을 2.3% 에서 3.0%로 향상시킬 수 있었다.
두 번째로, 본 연구에서는 전자 전달층에 맞게 산화 타이타늄이 코팅된 탄소나노튜브 네트워크 나노복합체를 설계하였다. 설계의 주안점은 정공 차단특성을 가지는 산화 타이타늄을 얇고 균일한 두께로 탄소나노튜브 표면에 코팅하여 탄소나노튜브의 전하 선택성을 높이는 것이다. 탄소나노튜브 표면을 산화 타이타늄으로 균일하게 코팅하기 위해 원자층증착법이 사용되었으며, 이를 통해 탄소나노튜브 네트워크의 나노다공성구조를 유지한 채 산화 타이타늄을 균일하게 코팅할 수 있음을 확인하였다. 산화 타이타늄이 코팅된 탄소나노튜브 네트워크 나노복합체를 전자 전달층으로 활용할 경우, 약 30% 가량의 효율 향상을 기대할 수 있었으며, 이는 탄소나노튜브의 우수한 전기전도도 및 탄소나노튜브 네트워크에 의한 표면적 증가에 기인하는 것으로 판명되었다. 그러나, 탄소나노튜브 표면에 산화 타이타늄층이 너무 얇거나 혹은 불균일하게 형성될 경우, 탄소나노튜브의 낮은 전하선택성에 의해 누설전류가 크게 발생해 오히려 효율을 떨어뜨리는 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
마지막으로, 본 연구에서는 광활성층에 맞게 그래핀양자점/P3HT:PCBM 나노복합체를 설계하였다. 설계의 주안점은 그래핀양자점의 밴드갭 제어기술 확보이다. 본 연구에서는 산화 그래핀의 2단계의 걸친 절단공정을 통해 그래핀양자점을 제조하였다, 제조된 그래핀양자점은 크기가 5 nm 미만이고 1-3 층 정도의 그래핀으로 이루어진 것을 확인할 수 있었다. 또한 실험적 결과 및 컴퓨터적 계산방법을 통해 그래핀양자점과 기능기 물질간 전하전달현상에 의하여 그래핀양자점의 밴드갭을 제어할 수 있음을 확인하였다. 밴드갭이 제어된 그래핀양자점을 일반적인 유기 태양전지의 광활성물질인 P3HT:PCBM 에 첨가하였다. 0.5 wt% 의 그래핀양자점을 첨가시 광흡수 증가로 인해, 최대 20% 정도 향상된 효울을 나타내는 것을 확인하였다. 그러나, 1 wt% 정도의 과량의 그래핀양자점을 첨가할 경우, P3HT와 PCBM의 이상적인 벌크헤테로접합 구조가 파괴되어 효율 증가가 제한되는 것으로 나타났다.
이상의 연구결과들은 향후 고효율 유기태양전지 개발을 위한 탄소나노소재 나노복합체의 설계 기준을 제시해 줄 수 있을 것으로 기대된다.
