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Effects of molecular structure of electron acceptors on the performances in polymer/fullerene and polymer/polymer blended solar cells = 전자 받개의 분자 구조가 고분자/플러렌 및 고분자/고분자 블렌드 기반 유기태양전지 성능에 미치는 영향에 관한 연구
서명 / 저자 Effects of molecular structure of electron acceptors on the performances in polymer/fullerene and polymer/polymer blended solar cells = 전자 받개의 분자 구조가 고분자/플러렌 및 고분자/고분자 블렌드 기반 유기태양전지 성능에 미치는 영향에 관한 연구 / Hyun-Bum Kang.
저자명 Kang, Hyun-Bum ; 강현범
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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The ability to tune the device function via controlling the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO)/highest occupied orbital (HOMO) levels of fullerene derivatives used as electron acceptors is crucial in controlling the optical/electrochemical properties and the open circuit voltage ($V_{OC}$) of polymer solar cells (PSCs). Here, we report a various fullerene multiadducts in which different numbers of solubilizing groups are attached to the fullerene molecules. The addition of units to fullerene raised its LUMO and HOMO levels, resulting in higher $V_{OC}$ in P3HT:fullerene binary blended PSC device. Despite demonstrating the highest $V_{OC}$ value, the P3HT:fullerene tris-adducts (TRIS-) exhibited lower efficiency than P3HT:fullerene bis-adducts (BIS-). This result was explained by the lower electron mobility of TRIS- due to presence of too many regio-isomers which hampers fullerene crystallization. Likewise, although the TRIS- have the potential of achieving high $V_{OC}$ in PSCs, no successful examples of the use of TRIS- as electron acceptors have been reported. To achieve it, we developed a ternary blend approach for the use of TRIS- to fully exploit the merit of their high LUMO level. To explore the effect of TRIS- in ternary-blend PSC devices, the photovoltaic behavior of the P3HT:fullerene mono-adduct (MONO-):TRIS- based devices was investigated in terms of the weight fraction of TRIS- ($W_{TRIS-}$). When $W_{TRIS-}$ is small (<0.3), TRIS- can generate a synergistic bridging effect between P3HT and MONO-, leading to simultaneous enhancement in both $V_{OC}$ and short-circuit current ($J_{SC}$). For example, the ternary blend PSC device of P3HT:(MONO-:TRIS-) with $W_{TRIS-}$ of 0.1 and 0.3 exhibited power-conversion efficiencies (PCEs) of 3.91% and 3.96%, respectively, which were significantly higher than the P3HT:MONO- device. Interestingly, for $W_{TRIS-}$ > 0.7, both $V_{OC}$ and PCE of the ternary-blend PSCs exhibited non-linear compositional dependence on WTRIS-. It should be noted that the non-linear trend of P3HT:(MONO-:TRIS-) was significantly different from that of P3HT:(MONO-:BIS-) ternary-blend PSC devices. Finally, We demonstrated that all-PSCs based on blends of two promising donor and acceptor polymers, PCE10 and (NDI2OD-T2), is a potential substituted to conventional polymer/fullerene BHJ systems. In our all-PSCs, the PCE was as high as 3.4% with FF over 0.5 despite the without additives such as DIO. Next, when the small amount of DIO (0.5~1.5vol%) was added into all-polymer blends, significantly improved PCE was observed in both the i-all-PSCs and c-all-PSCs. For examples, the best PCE of 4.6% with high $J_{SC}$ over 10mA·cm^{-2} and FF of 0.53 was achieved in i-all-PSCs. From the EQE and IQE measurements, the enhancement of $J_{SC}$ and PCE was mainly attributed to significant increase of IQE.

유기 태양전지는 유기 반도체를 기반으로 구성되므로 기존의 실리콘 태양전지에 비해 빛의 흡광계수가 1,000배 이상 높아 매우 얇은 두께(100~150 nm)에서도 태양광의 흡수를 극대화 할 수 있다. 이러한 이유로 기존의 실리콘 태양전지를 제작하는데 필요한 소재의 양을 1/1,000로 줄여 태양전지를 제작할 수 있어 저가의 태양전지 구현이 가능하다. 뿐만 아니라 유기물질의 특성에 따라 가볍고 휘어지도록 제작가능하며, 실리콘 태양전지와는 달리 잉크젯 인쇄, 스크린 인쇄, 슬롯다이 인쇄 및 롤투롤 인쇄 등의 용액공정을 통해 대면적의 태양전지 제작이 가능하다. 이러한 장점 때문에, 최근 몇 년 동안 우수한 특성의 전자 주개 및 받개 소재 개발로 인하여 광전변환 효율이 매우 향상됨에는 틀림없지만 아직 상용화에 필요한 광전변환 효율에는 미치지 못하고 있는 실정이다. 본 연구에서는, 대부분의 태양전지 연구 그룹에서 진행하였던 고분자 도너쪽에 기반하기 보다는, 상대적으로 연구 진행률이 더뎠던 플러렌 및 고분자계열 억셉터쪽에 관심을 갖고, 다양한 측면으로 태양전지 효율을 개선시키기 위한 방안에 대하여 연구를 수행하였다. 우선 높은 개방전압을 도출하는 플러렌 기반의 전자 받개를 개발하기 위해, 플러렌의 LUMO 에너지 레벨을 조절하였다. 이를 위해 플러렌에 화학적으로 결합되는 용해그룹의 개수를 조절하였고 (1~3개, 명명: Mono-,Bis- and Tris-), 그 결과 용해그룹의 개수가 늘어날수록, 플러렌 유도체의 LUMO 에너지 레벨이 점차적으로 향상되었다. 이렇게 다른 용해그룹을 가지는 플러렌 유도체를 이용하여 P3HT 기반의 유기태양전지를 제작하였다. 용해 그룹의 개수가 늘어남에 따라, 유기태양전지에서 도출되는 개방전압이 크게 향상되었고, 용해 그룹이 2개가 결합된 Bis- 가 5.2%로 가장 높은 광전변환 효율을 보였다. 용해 그룹이 3개가 결합된 Tris-는 0.9V 라는 상당히 높은 개방전압을 보임에도 불구하고, ICTA의 합성과정 특성상 수 많은 이성질체 형성으로 인해, 궁극적으로 낮은 이동도를 도출시키고 이로 인해 유기태양전지의 광전변환 효율은 크게 떨어지는 결과를 가져왔다. 하지만 LUMO 레벨이 매우 높은 특성을 갖는 Tris-를 이용해, 낮은 개방전압 값을 보이는 고분자/Mono- 시스템에 도입시키는 즉, 하나의 고분자 도너와 2개의 서로 다른 LUMO 레벨을 갖는 플러렌 억셉터를 섞는 ternary blended 유기태양전지를 구현하였다. 이를 토대로, Tris-함량을 조금씩 늘려감에 개방전압 값의 변화 및 태양전지 효율변화를 관찰하였다. Tris-함량이 적은 영역에서는 (0.1< $W_{Tris}$ <0.3) 기존 고분자/Mono- 시스템의 개방전압 값보다 증가하는 특성을 얻을 수 있었고, 이와 더불어 전류 밀도 또한 소폭 상승하는 현상을 살펴볼 수 있었다. 이는 고분자의 LUMO level과 Mono-의 LUMO level사이의 적절한 위치의 LUMO 레벨을 갖는 Tris-의 존재로 인해 전자의 이동을 좀 더 용이하게 해주는 bridge역할을 함에 따라 생기는 현상임을 파악할 수 있었다. 이와 반면에 Tris-함량이 과량인 영역에서는 (0.7< $W_{Tris-}$ <0.9) 급격한 효율 감소 현상을 살펴볼 수 있었고, 심지어 고분자/Tris- 시스템보다도 효율이 더 떨어지는 것을 살펴볼 수 있었다. 이는 결국, 소량의 Mono-가 전자 trapping site로 작용함에 기인하는 것을 파악할 수 있었고, 이로 인해 급격한 전자 이동도 감소 및 태양전지내의 전류밀도 및 FF감소까지 수반되는 것을 살펴볼 수 있었다. 이러한 Fundamental 연구를 토대로 Tris- 및 Mono-의 함량 변화에 따라 비선형적인 거동을 보임을 살펴볼 수 있었다. 두 번째로는, 플러렌 억셉터가 갖는 단점을 극복해보고자, 빛의 흡수능력이 상대적으로 뛰어난 고분자 억셉터에 초점을 맞추어 연구를 수행하였다. 즉, 태양전지를 구현함에 있어서 두개의 고분자가 섞이는 시스템을 도입하였다. 물리적 특성상, 고분자/고분자 블렌드에서는 서로 잘 섞이지 않으려고 하는 성질이 강하여, 넓은 영역의 빛을 흡수할 수 있다는 장점이 존재함에도 불구하고, 모폴로지 컨트롤의 어려움으로 인해 현재까지 보고된 효율수치가 고분자/플러렌 시스템에 비해 훨씬 더 떨어지는 실정이었다. 이에 따라, 본 연구에서는 고효율 고분자/고분자 태양전지 효율을 달성 하기 위해 꼭 필요한 요소에 부합하는 도너-억셉터 조합을 찾기 위한 연구를 수행하였다. 첫째, 비슷한 표면 장력을 갖는 고분자 도너 및 억셉터 조합을 찾아내어, 박막 형성시 과한 상분리를 막고자 하였다. 둘째, 서로 같은 방향의 pi-stacking (i.e. face on)을 갖는 도너-억셉터 조합을 찾고자 하였다. 마지막으로, 빛의 흡수상수가 뛰어난 도너-억셉터 조합을 사용하여 많은 양의 엑시톤 형성 및 최종적으로 태양전지에서 높은 전류밀도를 도출시키고자 하였다. 최종적으로, 도너로는 PCE10, 억셉터로는 P(NDI2OD-T2)라 명명되는 두 개의 고분자를 사용하였고, 이 두개의 고분자는 대략 ~25 mN/m 정도의 비슷한 계면장력을 갖고 있음을 살펴볼 수 있었다. 또한, 무엇보다 두 개의 고분자 모두 같은 방향의 pi-stacking을 갖고 있음을 GIXRD를 통해 살펴볼 수 있었다. 이러한 도너-억셉터를 기반으로 역구조 고분자/고분자 태양전지를 구현해본 결과 3.4%가 도출되었고, 이 수치는 고분자/고분자 기반 태양전지 field를 통틀어 높은 효율수치 중 하나임을 살펴볼 수 있었다. GIXRD 분석을 통해 살펴본 결과, 두 개의 고분자가 섞여도 face-on방향의 pi-stacking은 무너지지 않고 잘 유지됨을 살펴볼 수 있었지만, 안타깝게도 억셉터의 결정화도가 급격히 무너지는 것을 살펴볼 수 있었고, 이는 전자 이동도 계산을 통해 경향성을 보충할 수 있었다. 이에 따라, 매우 높은 끓는 점을 갖는 용매 첨가제를 아주 소량씩 도입시키는 시스템을 적용하여, 고분자 억셉터가 박막 형성시 re-orientation할 수 있는 시간을 더 늘려주었다. 그 결과, 고분자 억셉터의 결정화도가 다시 어느정도 회복함을 살펴볼 수 있었고, 이는 전자이동도의 회복과 더불어 태양전지 효율이 심지어 4.6%까지 증가되는 결과를 토대로 뒷받침할 수 있었다. 4.6%라는 수치는 현재까지 보고되었던 고분자/고분자 기반 태양전지 효율 수치 중 가장 높은 결과임을 강조하고 싶다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 14024
형태사항 xii, 173p : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 강현범
지도교수의 영문표기 : Bum-Joon Kim
지도교수의 한글표기 : 김범준
수록잡지명 : "Effects of Fullerene Tris-adducts on the photovoltaic performance of P3HT:Fullerene Ternary Blends". ACS Applied Materials and Interfaces, v.5, pp. 4401-4408(2013)
수록잡지명 : "Controlling Number of Indene Solubilizing Groups in Multiadduct Fullerenes for Tuning Optoelectronic Properties and Open-Circuit Voltage in Organic Solar Cells". ACS Applied Materials and Interfaces, v.4, pp. 110-116(2012)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 Including References
주제 polymer solar cells
Fullerene multiadducts
Ternary-blend PSCs
Polymer/Polymer-Blended PSCs
charge transport efficiency
고분자 태양전지
플러렌 유도체
3상 고분자 태양전지
고분자/고분자 블랜드 태양전지
전하 수송 효율
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