Organic photovoltaic cells (OPVs) present the potential to change the market of energy production. They have garnered advantages of low-cost process, mechanical flexibility and light weight. In recent years, the power conversion efficiency (PCE) of OPVs has steadily improved as high as 9.2%. Despite promising progress in device performance, PCE have to be enhanced for the commercialization. One of the crucial challenges for the high device performance is the efficient charge transport at the polymer/fullerene active layers with bulk heterojunction (BHJ) structure. In this study, we demonstrate an ideal active layer employing various types of carbon nanotubes (CNTs), as they have excellent carrier mobility, mechanical flexibility, and compatibility with the solution process. Unlike previously reported OPVs with CNTs significantly degraded the device performance than those without CNTs. Without charge selectivity, any small proportion of metallic CNTs present may build up undesired pathways for electron-hole recombination. Moreover, inhomogeneously dispersed CNT aggregates give rise to a fatal device short circuit. we present the remarkable device performance enhancement in BHJ solar cells employing N-doped (N-CNT), B-doped CNTs (B-CNT), quantum dot nanoparticle decorated CNTs (QD:CNT) or metal nanoparticle bound CNTs (Me:CNT) as highly selective electron- or hole-transport enhancement materials. We also emphasize that this study offers a general route to address the efficient charge transport for other organic optoelectronics, such as organic light-emitting diodes, organic transistors, and organic laser diodes.
유기태양전지는 기존의 태양전지에 비해서 용액공정을 통해 소자 제작이 가능하고, 기계적 유연성 특성을 가지고 있어서, 저비용, 대면적의 플렉서블 태양전지 소자의 구현에 유리하다. 그러나, 반도체 유기물 기반의 소자는 실리콘 무기물 기반의 소자에 비해서 매우 짧은 엑시톤 이동거리와 뒤떨어지는 전기전도도 및 전하이동도를 보임으로써 상업화된 태양전지에 비해 매우 낮은 광변환효율을 보이며 상업적으로 광법위하게 실용화 되는데 걸림돌이 되어왔다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 지금까지 유기활성층을 구성하는 도너와 억셉터 두물질이 불규칙적으로 섞여있는 벌크이종접합구조가 도입됨으로써 좀 더 효율적인 엑시톤의 분리와 소자의 효율향상을 달성하였다. 그러나 벌크이종접합구조로 인해 효과적인 전하의 이동이 이뤄지기 힘들며, 앞선 구조를 통해 유기활성층의 효율적인 전하이동도 향상에는 한계를 보이고 있었다. 기존의 유기태양전지보다 더욱 향상된 소자효율을 구현하기 위해서는 효과적인 본 연구에서는 전기전도도와 전하이동도가 매우 뛰어난 탄소나노튜브를 벌크이종접합 유기활성층에 도입하여 유기태양전지의 효율 향상을위한 연구들을 진행하였다.
첫 번째로 붕소 또는 질소와 같은 이종원소가 도핑된 탄소나노튜브를 유기태양전지의 유기활성층에 각각 도입하였다. 붕소 도핑된 탄소나노튜브의 경우 유기활성층의 정공이동도를 향상시켜주었으며, 질소 도핑된 탄소나노튜브의 경우에는 동일한 활성층에서 전자이동도를 향상시켜 줄 수 있었다. 따라서, 도핑된 이종원소의 종류에 따라서 정공 또는 전자의 이동도를 선택적으로 향상 시켜줄 수 있었다. 추가적으로 도핑이 되지않은 탄소나노튜브의 경우 유기활성층과의 분산성이 좋지않아 마이크로미터 크기의 탄소나노튜브 석출물이 나오는 반면에, 이종원소가 도핑된 탄소나노튜브의 경우에는 동일 농도에서 탄소나노튜브의 석출이 눈에띄게 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 기존 유기태양전지의 광변환효율을 7.3%에서 8.6%까지 향상시킬 수 있었다.
두 번째로는 전자를 쉽게 받아들이는 InP 양자점을 질소 도핑된 탄소나노튜브에 화학적 결합을 통해 양자점/탄소나노튜브 하이브리드 물질을 합성하였으며, 이를 벌크이종접합 유기활성층에 적용함으로써 유기태양전지의 성능향상에 기여할 수 있는 기술을 확립하였다. 기존의 양자점의 경우에는 전하의 이동이 주로 양자점간의 호핑으로만 이뤄지기 때문에 효육적인 전하이동을 기대하기가 어려웠다. 따라서, 양자점에 탄소나노튜브를 붙여줌으로써 탄소나노튜브에 의한 효과적인 전자수송을 할 수 있었다. 추가적으로 양자점의 경우에는 탄소나노튜브보다 더욱 효과적으로 도너물질로 부터 전자를 받아들이는 특성이 있으므로, 양자점에 의한 보다 효율적인 엑시톤의 분리가 일어날 수 있음을 확인 할 수 있었다. 이와 같이 양자점과 탄소나노튜브의 동반효과로 인해 유기태양전지의 효율이 기존 4.68%에 비해 6.11%까지 크게 향상된 결과를 얻었다.
마지막으로 플라스몬 효과가 있는 금나노입자와 이종원소가 도핑된 탄소나노튜브를 화학적으로 붙여줌으로써 두 물질에 의한 추가적인 태양전지의 효율향상을 이루기 위한 연구를 진행하였다. 금나노입자의 표면을 -COOH 또는 $-NH_2$로 기능기화 함으로써 도핑된 탄소나노튜브의 이종원소와 직접적인 화학결합을 통해 금나노입자가 탄소나노튜브 구조체의 표면에 붙을 수 있도록 합성하였다. 이렇게 합성된 나노물질의 경우, 금나노입자에 의한 플라즈몬 효과를 통해 추가적인 빛의 흡수를 확인 할 수 있었으며, 추가적인 엑시톤 생성 및 효과적인 엑시톤의 분리를 가능하게 해 주었다. 또한, 언급한 나노물질의 탄소나노튜브 구조체로 인해 전자 또는 정공의 전하이동도를 도핑된 이종원소를 달리하면서 선택적으로 향상시킬 수 있었다. 이러한 플라즈몬효과 및 전하이동도 향상효과의 종합적인 결과로 인해 벌크이종접합 유기태양전지의 효율을 기존 소자효율 8.6% 대비 9.8%까지 향상된 결과를 얻을 수 있었다.
