<사진. 폴리머 태양 전지에 대한 물/알코홀 용해 가능한 복합 폴리머의 화학 구조
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

고성능 폴리머 태양 전지를 위한 경계면 공학

남중국 기술 대학(South China University of Technology)의 연구진은 고성능 폴리머 태양전지를 위해 중간층으로서 사용될 수 있는 일련의 재료를 개발하기 위해 물/알코올에 용해될 수 있는 폴리머를 쉽게 디자인할 수 있는 장점을 이용하였다. 이런 폴리머를 중간층 물질로 이용하는 것은 폴리머 태양 전지의 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 제작을 쉽게 할 수 있다는 장점이 있다. 조만간 이들 연구진은 높은 전도도와 전하 선택성을 가진 새로운 폴리머를 개발할 계획이다. 이런 연구는 폴리머 태양전지의 성능을 더 향상시키고 다른 유기 전자 디바이스의 새로운 응용을 제공하여 줄 수 있을 것이다.

전망 좋은 태양 에너지 변환 디바이스 중에서, 벌크 헤테로접합 폴리머 태양 전지는 저렴한 가격의 가볍고 유연한 태양 전지로 알려져 있다. 전형적으로, 폴리머 태양 전지는 투명한 전극, P-형 반도체 복합 폴리머로 이루어졌으며 활성화 층으로 역할하는 n-형 풀러린 물질과 혼합되었다. 그리고 반사 전극은 이른바 샌드위치된 구조를 만들어낸다. 많은 노력이 폴리머 태양 전지 출력 변환 효율을 향상시키기 위해서 수행되었으며 디바이스 과정을 간단히 하기 위한 노력도 병행되었다.

활성층과 전극 사이의 좋은 선택은 폴리머 태양 전지 성능에 핵심적이다. 용액 프로세싱과 호환하는 전하 선택을 가진 새로운 경계면 물질을 집어 넣은 것은 폴리머 태양 전지 성능을 향상시킬 수 있는 한 방법이다. 그러나 보통 사용되는 유기 반도체 물질의 대부분은 보통 유기 솔벤트에서 유사한 용해도를 가졌다. 이것은 그것들이 연속적으로 통합될 때 이전의 중요한 층을 부식시킬 수 있다.

그 결과, 고성능 용액 처리된 다층 폴리머 태양 전지를 제작하는 것이 어렵게 되는 것이다. 물/알코올 용해 가능한 복합 폴리머(WSCP)는 독특한 용해성과 뛰어난 고유 광전지 특성을 결합시킨다. 그 결과, 그것들은 경계 부식 문제를 해결하고자 하는 연구진의 흥미를 끌었다. WSCP는 복합 주요 체인과 극 옆면 체인으로 이루어졌다. 구조와 특성 사이의 관계를 이해하기 위해서, 이들 연구진은 다양한 주요 체인과 옆면 체인을 가진 일련의 WSCP를 연구하였다. 이것은 아미노 및 암모니움 기능성 복합 폴리머, 아미노 N 산화 기능성 복합 폴리머, zwitterionic 복합 폴리전해질 그리고 아미노 기능성 복합 금속성폴리머 등을 포함한다.

이들 연구진은 WSCP의 전기적 특성이 주요 체인과 사이드 체인 구조에 의해서 크게 영향을 받는다는 것을 발견하였다. 조사된 모든 WSCP는 다중 용해 처리된 광전 디바이스의 경계면 부식 문제를 극복할 수 있는 양호한 경계층 물질이었다. 흥미롭게도, 연구진은 이런 WSCP가 활성층으로부터 전자 모집을 향상시킬 뿐만 아니라 전자 주입도 향상시킬 수 있다는 것을 발견하였다.

WSCP의 독특한 전자 주입 특성은 주로 WSCPs 경계층과 금속 음극 사이의 쌍극 형성에 기여한다. 그러나 쌍극 이론 만으로는 폴리머 태양 전지에서 WSCP 물질의 기능을 설명하기가 충분하지 않다. 그 이유는 폴리머 태양전지는 반대 전하 주입/수송 방향을 가지고 있기 때문이다. 연구진은 폴리머 태양 전지의 WSCP 중간층이 3가지 기능을 수행한다는 것을 발견하였다. 먼저 음극 일함수를 조율하는 것과 두 번째 경계면에서 활성층의 억셉터를 주입하는 것 그리고 세 번째로 채움 인자를 향상시키기 위해서 전자를 추출하고 정공을 봉쇄하는 것 등이다. 더구나 전도성 폴리머 PEDOT:PSS의 버퍼층을 가진 전통적인 폴리머 태양 전지에서, 이들 연구진은 PEDOT:PSS와 활성층 사이의 경계면이 WSCP을 처리하는데 사용되는 극성 솔벤트에 의해 개정된다는 것을 발견하였다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr