Here, we report inverted small molecular organic solar cells (SMOSCs) using doped window layer as an optical spacer and a hole transport layer. Optical spacer was used to optimize the optical field distribution inside the active layer, generating more charges from the incident light. Optical field distribution was calculated by transfer matrix formalism (TMF) simulation using refractive indices of each material. N,N,N’,N’-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine (MeO-TPD) is an attractive material for optical spacer because of its large band gap about 3.3 eV. With a doping method, we could increase not only conductivity of MeO-TPD by several orders of magnitude but also hole mobility of the device. Consequently, we achieved power conversion efficiency of 4.15 % with optimized thickness of an optical spacer. Moreover, stability of inverted devices was significantly enhanced compared to that of conventional devices.
과학기술의 발달로 인해 인간의 생활수준이 올라감에 따라 에너지에 대한 의존도 역시 증가하였고 필요한 에너지의 양 또한 크게 증가하였다. 하지만 기존의 주된 에너지원인 화석연료의 매장량이 한정적이라는 점과 화석연료를 사용함으로써 발생하는 $CO_2$ 에 의한 지구 온난화 문제가 대두되면서 이를 대체할 수 있는 깨끗하고 지속 가능한 에너지원에 대한 필요성을 모두가 실감하고 있는 상황이다. 여러 가지 대체 에너지원 중에서도 태양에너지는 깨끗하고 무한한 에너지원으로 각광을 받고 있다. 이 태양에너지를 우리가 주로 사용하는 전기에너지 형태로 변환을 해주기 위해서는 태양전지가 필수적으로 필요하다. 그 동안의 많은 노력들로 인해 무기태양전지의 효율은 굉장히 높은 수준으로 올라갔지만 여전히 가격적인 측면에서 기존의 화석연료와 경쟁이 힘들기 때문에 태양전지의 가격을 줄이는 것이 큰 이슈이다. 따라서 유기태양전지가 가격을 크게 낮출 수 있는 차세대 태양전지로 큰 관심을 받고 있긴 하지만 아직까지는 무기태양전지에 비해 효율과 안정성이 많이 떨어지기 때문에 이를 해결하는 것이 과제이다. 이를 위해서 많은 연구가 진행 중이지만 그 중에서도 광학 시뮬레이션을 통해 유기태양전지가 들어온 빛을 효과적으로 사용할 수 있도록 디자인하는 일과 더불어 기존의 반도체 소자에서 큰 돌파구가 되었던 도핑 기술을 유기 반도체 소자에도 적용시켜 더 나은 소자특성을 얻기 위한 연구에 관심을 가졌다. 이 연구에서는 광학 TMF 시뮬레이션을 통해 유기태양전지의 얇은 광활성층에 태양 빛을 집중시킬 수 있도록 태양전지를 디자인하였고 더불어 유기반도체 도핑 기술을 이용하여 전기 전도도를 크게 증가시킨 광학 스페이서 층을 삽입하여 어떠한 전기적인 손실 없이 광학적인 특성만을 고려하여 유기태양전지를 최적화 시킬 수 있었다. 추가적으로 기존에 주로 정공수송 층으로 사용되던 $MoO_3$ 층과 비교를 해보았을 때 p-type 으로 도핑된 MeO-TPD 층이 증가된 정공 mobility에 의하여 FF와 내부양자효율이 크게 증가한 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 3.00 %의 광변환 효율을 내던 소자의 $MoO_3$ 층 대신 p-doped MeO-TPD 층을 사용하였을 때 4.15 %의 효율을 얻을 수 있었다. 마지막으로 노말 구조의 소자와 비교하였을 때 역 구조를 가지는 소자가 훨씬 나은 안정성을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이를 TOF-SIMS depth profile을 통하여 확인해 본 결과 노말 구조의 소자에서는 공기중의 산소가 빠르게 침투하여 BCP를 degradation 시키는 것으로 나타났지만 역 구조의 소자에서는 공기중의 산소가 거의 침투하지 못한 것으로 나타났다. 따라서 소자구조를 어떻게 디자인하느냐가 소자의 효율과 더불어 안정성에 크게 영향을 미친다는 것을 이번 연구를 통해 확인할 수 있었다.
