Polymer Solar Cells (PSCs) represent a transformative solar technology with great potential for ex-tremely high-throughput manufacturing at very low cost, and are made from non-toxic, earth-abundant materials with low energy inputs. Despite the potential of PSCs for large-scale solar deployment, their perfor-mance must be improved before they can be viable for commercial applications. To achieve these per-formance goals, advances in the design of new light-harvesting materials and the development of more efficient device processing and stable device structures are required. In addition, interface engineering also plays a critical role in determining the performance of PSCs. The development of new interfacial layers with desired charge selectivity and compatibility for all-solution-processed multilayer devices, and proper integration of the interfacial layer with new active materials and device architectures are important to further improve the efficiency and stability of PSCs. Inverted bulk heterojunction PSCs have received considerable attention due to their improved reliability and compatibility with large-scale roll-to-roll technique relative to the conventional device architectures. Here, we demonstrate enhanced performance and stability in the inverted PSCs based on the $polymer/PC_{71}BM$ system with a modified ZnO (d-ZnO) using a D-π-A organic dye. The use of a triphenylamine (TPA)-based dye by attaching molecules to the ZnO surface through carboxylated bonding, which has interfacial dipole moments directing away from the ZnO surface, was found to reduce the shunt paths and charge recombination and to provide the good energy level alignments and more uniform contact between ZnO and $PC_{71}BM$ and to consequently lead to higher fill factor (FF), open-circuit voltage ($V_{OC}$), short-circuit current density ($J_{SC}$), and thus improved power conversion efficiencies (PCEs). An inverted solar cell based on an $ITO/d-ZnO/P3HT:PC_{71}BM/MoO_3/Ag$ configuration not only achieves improved device efficiency, with an impressive PCE of 4.37%, but also shows an exceptional device lifetime with the encapsulation compared to a control device based on an $ITO/ZnO/P3HT:PC_{71}BM/MoO_3/Ag$ configuration according to the qualified ISOS-L-3 of the protocol test. Moreover, using PBDTTT-C-T conjugated polymer with low-band-gap as an electron donor material, the modified inverted device architecture also achieves the enhanced device performance and reliability than control device without the surface modification to the ZnO film. Furthermore, we demonstrate design, synthesis, and characterization of various D-π-A organic dyes (Dye 1, Dye 2, and Dye 3) with different molecular structures. Inverted PSCs with ZnO/Dye 1 and ZnO/Dye 2 as an electron transport layer (ETL) show significant improvement of efficiency compared to its counterparts. And an PSC based on ITO/ZnO/Dye $3/PBDTTT-C-T:PC_{71}BM/MoO_3/Ag$ configuration shows moderate improvement of PCE compared to that with unmodified ZnO layer. $ITO/ZnO/PBDTTT-C-T:PC_{71}BM/MoO_3/Ag$ configuration shows $V_{OC}$ of 0.72 V, $J_{SC}$ of 13.36 mA $cm^{-2}$, FF of 62 %, and PCE = 6.01 %. ITO/ZnO/Dye $1/PBDTTT-C-T:PC_{71}BM/MoO_3/Ag$ configuration shows $V_{OC}$ of 0.74 V, $J_{SC}$ of 14.40 mA $cm^{-2}$, FF of 67 %, and PCE = 7.18 %. ITO/ZnO/Dye $2/PBDTTT-C-T:PC_{71}BM/MoO_3/Ag$ configuration shows $V_{OC}$ of 0.75 V, $J_{SC}$ of 14.45 mA $cm^{-2}$, FF of 68 %, and PCE = 7.36 %. ITO/ZnO/Dye 3/PBDTTT-C-T:PC_{71}BM/MoO_3/Ag configuration shows $V_{OC}$ of 0.75 V, $J_{SC}$ of 13.73 mA $cm^{-2}$, FF of 64 %, and PCE = 6.61 %. The high photovoltaic characteristics of the inverted devices with the modification of organic dye (Dye 1 and Dye 2) are due to the hydrophobic and more uniform surfaces which are beneficial to intimate contact of organic active layers on it from active layer solvents which blocks or mediates forward charge transfer or reduces back charge recombination, the suitable energy level alignment at $ZnO-PC_{71}BM$ interfaces which achieves ohmic contact for obtaining a maximized the $V_{oc}$ and electron extraction efficiency. But side chains attaching a D-π-A organic dye (Dye 3) have negative effects on the photovoltaic cell which act as the recombination and trapping of the carriers during their transit through the cell that can lead to decreased device performance. These results show that the proper interfacial modification to the metal oxides using this D-π-A organic dye molecule could become a promising procedure in the fabrication of highly efficient and stable PSCs. We foresee that this promising strategy of interfacial engineering could enable large-area device manufacturing using low-cost, all-solution processable techniques and tandem solar cells to further improve the device performance and stability.
고분자 태양전지는 아직 본격적으로 태양광에너지 시장에 진입하고 있지는 못하지만 저가 생산이 가능하고, 가볍고 유연하고 투명한 특성 등 많은 이점으로 21세기 태양전지(유연한(flexible), 착용하는(wearable), 휴대하는(portable), 다채로운(colorful) 등)로 주목받고 있다. 하지만 여전히 다른 종류의 태양전지에 비해서 상대적으로 낮은 광전변환효율로 인하여 활용면에 있어서 다소 제한이 있다. 이러한 고분자 태양전지의 효율을 개선하기 위해서는 새로운 광활성층 소재의 합성 및 보다 효율적인 소자 제작 조건의 개발과 안정한 소자구조가 필요하다. 더 나아가 고분자 태양전지 각 층의 계면 조절(Interfacial Engineering)은 고분자 태양전지의 소자 성능에 크나큰 역할을 하기 때문에 우수한 전하 선택성 및 전하 이송 능력과 용액공정이 가능한 새로운 버퍼층의 개발 및 개질이 고분자 태양전지의 효율 및 신뢰성 향상을 더 이끌 수 있다고 본다.
본 연구에서는 정구조(conventional structure)보다 신뢰성이 우수하고 롤투롤 인쇄공정과 호환이 가능한 역구조(inverted structure) 고분자 태양전지의 광기전력 특성 및 안정성을 더욱 개선하기 위하여 ZnO 표면을 트리페닐아민 (triphenylamine, TPA) 기반의D-π-A 형태의 유기염료 (PAPTA)를 이용하여 개질 (d-ZnO)하였다.
표면 개질 된 d-ZnO는 ZnO보다 표면이 소수성을 띄고, 거칠기가 감소한다. d-ZnO를 역구조 고분자 태양전지의 전자 이송층으로 응용하면 ZnO 표면의 결함을 줄여, 세는 전류 (leakage current)를 감소시키고, 정공을 차단하며, 금속인 음극과 유기물인 광활성층 사이의 저항을 줄이고 에너지 레벨을 일치 및 광활성층의 적절한 모폴로지를 유도시켜 역구조 고분자 태양전지의 효율을 최대 ~34% 증가 및 신뢰성을 ~4배 가량 향상 시켰다.
ZnO 표면을 적절하게 개질하기 위하여 트리페닐아민(triphenylamine, TPA) 기반의 유사한 세가지 종류의 D-π-A 유기염료 (Dye 1, Dye 2, 그리고 Dye 3)를 선택하여 역구조 고분자 태양전지의 전자 이송층으로 적용하였다.
다양한 D-π-A 유기염료로 표면 개질 된 ZnO는 ZnO보다 표면이 소수성을 띄고, 거칠기가 감소하는데, 다양한 D-π-A 형태의 유기염료 (Dye 1, Dye 2, 그리고 Dye 3) 중 알킬 체인 (alkyl chain)을 포함하는 유기염료 (Dye 3)가 더욱더 ZnO 표면을 소수성 (hydrophobicity)으로 거칠게 하는 특성이 있다.
서로 다른 분자구조를 가지는 D-π-A 유기염료가 ZnO 표면에 흡착됨으로써, 음극 버퍼층과 유기 광활성층 사이의 계면 쌍극자가 ZnO 표면에서 나오는 방향으로 형성되어 VOC 증가를 보지만 D-π-A 유기염료의 구조에 관계 없이 계면 쌍극자 모멘텀이 유사하여 D-π-A 유기염료로 개질된 ZnO의 일함수가 같음을 알 수 있다.
다양한 D-π-A 유기염료 (Dye 1, Dye 2, 그리고 Dye 3) 로 표면 개질 된 ZnO를 역구조 고분자 태양전지의 전자 이송층으로 적용하였을 때, ZnO/Dye 1와 ZnO/Dye 2를 전자 이송층으로 포함하는 역구조 고분자 태양전지는 세는 전류 (leakage current)를 감소, 정공을 차단, 금속인 음극과 유기물인 광활성층 사이의 저항을 감소, 에너지 레벨을 일치시켜 역구조 고분자 태양전지의 광전변환효율을 향상 시켰다.
$ITO/ZnO/PBDTTT-C-T:PC_{71}BM/MoO_3/Ag$: $V_{OC}$ = 0.72 V, $J_{SC}$ = 13.36 $mA/cm^2$, FF = 62 %, 그리고 PCE = 6.01 %, ITO/ZnO/Dye $1/PBDTTT-C-T:PC_{71}BM/MoO_3/Ag$: $V_{OC}$ = 0.74 V, $J_{SC}$ = 14.00 mA/cm2, FF = 67 %, 그리고 PCE = 7.18 %, ITO/ZnO/Dye $2/PBDTTT-C-T:PC_{71}BM/MoO_3/Ag$: $V_{OC}$ = 0.75 V, $J_{SC}$ = 14.45 $mA/cm^2$, FF = 68 %, 그리고 PCE = 7.36 %, 그리고 PCE = 7.18 %, ITO/ZnO/Dye $3/PBDTTT-C-T:PC_{71}BM/MoO_3/Ag$: $V_{OC}$ = 0.75 V, $J_{SC}$ = 13.73 $mA/cm^2$, FF = 64 %, 그리고 PCE = 6.61 %의 역구조 고분자 태양전지 광기전력특성을 보인다.
역구조 고분자 태양전지의 음극과 광활성층의 계면을 간단히 조절함으로써 효율적이고 안정한 고분자 태양전지를 제작할 수 있고, 용액공정이 가능한 저가의 대면적 소자 및 적층형 유기태양전지 등에 적용이 가능하기 때문에 유기태양전지의 상업화를 앞당기는데 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
