KR20210131625A - 산 유도체가 첨가된 공액형 고분자 전해질을 포함하는 음극 버퍼층을 가지는 고분자 태양전지 - Google Patents
산 유도체가 첨가된 공액형 고분자 전해질을 포함하는 음극 버퍼층을 가지는 고분자 태양전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 음극 버퍼층(cathode buffer layer, CBL)을 포함하는 고분자 태양전지에 있어서, 상기 음극 버퍼층은 공액형 고분자 전해질(conjugate polymer electrolyte)과 산 유도체(acid derivative)의 반응 생성물로 이루어지며, 상기 공액형 고분자 전해질은 Poly[(9,9-bis(3'-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dihexylfluorene)] (PFN)이고, 상기 산 유도체는 트리플루오로아세트산(trifluoroacetic acid, CF3AA), 4-트리플루오로메틸벤조산(4-trifluoromethyl benzoic acid, CF3BA) 또는 4-톨루엔 술폰산(4-toluene sulfonic acid, TsOH)인 것을 특징으로 하는 고분자 태양전지에 대한 것으로서, 특정 산 유도체(acid derivative)로 개질된 공액형 고분자 전해질(PFN)로 이루어진 음극 버퍼층이 단락 전류(J sc )와 충진 계수(FF)를 동시에 향상시킴으로써 크게 개선된 효율을 나타낸다.
Description
본 발명은 광활성층과 음극 사이에 음극 버퍼층을 포함하는 고분자 태양전지에 대한 것이다.
실리콘 태양전지의 대안으로 고분자 유기물을 이용하여 고분자 태양전지(polymer solar cells, PSCs)를 제조할 수 있는 방법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 상기 고분자 태양전지는 우수한 가공성, 다양성, 경량성을 가질 뿐만 아니라, 재료의 가격면에서도 경제적이고, 유연성 장치에 응용이 가능하다는 장점을 가지고 있으며, 제작 공정이 비교적 간단하다는 장점 또한 갖추고 있다.
상기 고분자 태양전지는 주로 공액형 고분자 유기물(conjugated organic material), 투명한 무기 전극(transparent inorganic electrode) 및 금속 음극(metal cathode)을 포함하는 구조로 형성되는데, 상기 고분자 유기물을 광활성층(photoactive layer)으로 사용하는 고분자 태양전지는 광활성층과 음극과의 쇼트키 장벽(schottky barrier)이 커 광전 효율이 떨어지는 문제점이 있어 이에 대한 개선이 요구된다.
본 발명은 전지 성능 개선을 위해 산(acid)이 첨가된 공액형 고분자 전해질(conjugate polymer electrolyte, CPE)을 포함하는 음극 버퍼층(cathode buffer layer, CBL)을 도입한 고분자 태양전지의 제공을 그 목적으로 한다.
본 발명은, 음극 버퍼층(cathode buffer layer, CBL)을 포함하는 고분자 태양전지에 있어서, 상기 음극 버퍼층은 공액형 고분자 전해질(conjugate polymer electrolyte)과 산 유도체(acid derivative)의 반응 생성물로 이루어지며, 상기 공액형 고분자 전해질은 Poly[(9,9-bis(3'-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dihexylfluorene)] (PFN)이고, 상기 산 유도체는 트리플루오로아세트산(trifluoroacetic acid, CF3AA), 4-트리플루오로메틸벤조산(4-trifluoromethyl benzoic acid, CF3BA) 또는 4-톨루엔 술폰산(4-toluene sulfonic acid, TsOH)인 것을 특징으로 하는 고분자 태양전지를 제공한다.
이때, 상기 PFN과 산 유도체(acid derivative)의 반응은 하기 화학 반응식에 따라 이루어지고, 나아가 하기 반응에서 PFN 함량 대비 1 당량의 산 유도체를 PFN과 반응시켜 산 유도체로 개질된 PFN을 합성하는 것이 바람직하다.
(상기 반응식에서, A-H는 
, 
또는 
)
한편, 본 발명에 따른 고분자 태양전지는 음극과 광활성층 사이에 상기 버퍼층을 포함하기만 하면 적층 구조 및 각 층의 소재는 특별히 제한되지 않는다.
일례로, 투명 기판 위에 형성된 음극; 상기 산 유도체로 개질된 PFN을 포함하는 버퍼층; 전자수용체와 전자공여체를 갖는 광활성층; 및 양극을 포함하는 역구조태양전지(inverted type polymer solar cell, iPSC) 일 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 상기 기판은 광투과율이 높은 투명한 소재로 이루어진 것을 사용할 수 있고, 유리(glass), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리메틸메타클릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리아미드(polyamide), 폴리에트르술폰(polyehtersulfone) 등을 대표적인 예로 들 수 있다.
또한, 상기 광활성층은 광반응이 우수해 엑시톤을 쉽게 만들 수 있는 전자공여체 및 전자친화도가 높은 전자수용체를 포함하는 혼합물이 이중층으로 형성되거나, 헤테로접합 구조로 형성된 것일 수 있다.
상기 전자공여체로는 폴리티오펜(polythiophene), 카르바졸(carbazole), 벤조티아디아졸(benzothiadiazole), 시클로펜타디티오펜(cyclopentadithiophene), 디케토피롤로피롤(diketopyrrolopyrrole) 등의 공액형 고분자를 사용할 수 있다.
또한, 상기 전자수용체로는 전자 친화도가 큰 C60, C70, C76, C78, C82, C90, C94, C96, C720, C860 등의 플러렌 유도체를 사용할 수 있고, PC61BM, PC71BM, C84-PCBM, bis-PCBM 등을 대표적인 예로 들 수 있다.
상기 양극 및 음극은 ITO(Indium Tin Oxide), SnO2, IZO(In2O3-ZnO), AZO(aluminum doped ZnO), GZO(gallium doped ZnO) 등의 금속 산화물, 알루미늄(Al); 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt) 등의 전이금속, 희토류 금속, 셀렌(Se) 등의 반금속을 사용할 수 있으며, 일함수를 고려하여 형성시키는 것이 바람직하다.
상기 본 발명에 따른 역구조 고분자 태양전지의 구체적인 예로는, ITO 기판; 산화 아연(ZnO) 층; 상기 산 유도체로 개질된 PFN을 포함하는 버퍼층; Poly([2,6′-4,8-di(5-ethylhexylthienyl)benzo[1,2-b;3,3-b]dithiophene]{3-fluoro-2[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl}) (PTB7-Th) 및 ([6,6]-phenyl C71 butyric acid methyl ester (PC71BM)을 포함하는 활성층; 산화 몰리브덴(MoO3) 층; 및 은(Ag) 전극층;이 순차적으로 적층된 고분자 태양전지를 들 수 있다.
본 발명에 따른 고분자 태양전지는, 특정 산 유도체(acid derivative)로 개질된 공액형 고분자 전해질(PFN)로 이루어진 음극 버퍼층에 의해 소자의 단락 전류(J sc )와 충진 계수(FF)를 동시에 향상시킴으로써 크게 개선된 효율을 나타낸다.
도 1은 PFN과 산 유도체 간의 반응식이다.
도 2는 본원 실시예에서 제작한 역구조형 PSC의 소자 구조의 모식도이다.
도 3은 ZnO 및 ZnO/1.0 당량의 산 유도체(AA, CF3BA, CF3AA 또는 TsOH)를 갖는 PFN의 (a) XPS survey 스펙트럼), (b) F 1s 스펙트럼 및 (c) S 2p 스펙트럼이다.
도 4는 ZnO 및 ZnO/PFN 각각을 기반으로 한 PSC의 (a) 조명 하에서의 전류밀도-전압 곡선 및 (b) 암(dark) 상태 하에서의 전류밀도-전압 곡선이다.
도 5는 ZnO 및 ZnO/PFN 각각을 기반으로 한 PSC의 (a) EIS 스펙트럼 분석을 위한 등가 회로 및 (b) 인가 전압에 따른 재결합 저항 계산값을 나타낸 그래프이다.
도 6은 ZnO 및 ZnO/PFN 각각을 기반으로 한 PSC의 (a) 광도(light intensity)에 따른 J sc 을 나타낸 그래프 및 (b) 광도에 따르 V oc 을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본원 실시예에서 제작한 역구조형 PSC의 소자 구조의 모식도이다.
도 3은 ZnO 및 ZnO/1.0 당량의 산 유도체(AA, CF3BA, CF3AA 또는 TsOH)를 갖는 PFN의 (a) XPS survey 스펙트럼), (b) F 1s 스펙트럼 및 (c) S 2p 스펙트럼이다.
도 4는 ZnO 및 ZnO/PFN 각각을 기반으로 한 PSC의 (a) 조명 하에서의 전류밀도-전압 곡선 및 (b) 암(dark) 상태 하에서의 전류밀도-전압 곡선이다.
도 5는 ZnO 및 ZnO/PFN 각각을 기반으로 한 PSC의 (a) EIS 스펙트럼 분석을 위한 등가 회로 및 (b) 인가 전압에 따른 재결합 저항 계산값을 나타낸 그래프이다.
도 6은 ZnO 및 ZnO/PFN 각각을 기반으로 한 PSC의 (a) 광도(light intensity)에 따른 J sc 을 나타낸 그래프 및 (b) 광도에 따르 V oc 을 나타낸 그래프이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다.
<실시예>
1. CBL 소재로서 산 유도체로 개질된 PFN의 합성
도 1에 도시한 바와 같이 Poly[(9,9-bis(3'-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dihexylfluorene)] (PFN)을, 초산(AA), trifluroroacetic acid (CF3AA), 4-trifluoromethyl benzoic acid (CF3BA), 4-toluene sulfonic acid (TsOH) 등의 다양한 산 유도체(acid derivative)와 반응시켜 산으로 개질된 PFN을 제조한 후, 이를 음극 버퍼층 소재로 사용해 고분자 태양전지를 제조하고 그 전지특성에 대해 살펴보았다.
상기 산 유도체와 PFN 사이의 반응(도 1)의 평형상수(K)는 아래 식에 따라 구할 수 있다.
상기 식에서, pK a (A-H)는 산 유도체의 pK a 값이고 pK a (PFH-H + A - )는 PFH-H + 의 pK a 값이다. PFH-H + 가 트리알킬암모늄염(trialkylammonium salt)과 동등하고 그 pK a 값이 10.75라고 가정하면, 서로 다른 유형의 산 유도체와 PFN 사이의 산-염기 반응의 K 값은 AA, CF3BA, CF3AA 및 TsOH 각각에 대해 1.0 × 106, 1.2 × 107, 3.3 × 1010 및 3.6 × 1013으로 얻어진다. 따라서, 측쇄의 모든 트리알킬아민이 AA, CF3BA, CF3AA 및 TsOH와 같은 산 유도체의 첨가에 의해 트리알킬암모늄염으로 완전히 전환되었음이 확인되었다.
2. 고분자 태양전지(PSC) 제작
도 2에 도시한 바와 같이 ITO / PFN 및 산 유도체를 포함 또는 미포함하는 ZnO(25nm) / 활성층(PTB7-Th:PC71BM)(70nm) / MoO3(3nm) / Ag(100nm)의 순서로 적층된 역구조형 고분자 태양전지를 제작하였다.
먼저, ITO 상에 ZnO 층을 졸-겔 공정으로 증착하였다. 아연아세테이트탈수화물(Zinc acetate dihydrate)(0.1 g)과 에탄올아민(0.025 ml)을 메톡시에탄올(1ml)에 용해시키고 60℃에서 12시간 교반해 얻은 ZnO 졸-겔 전구체 용액을 ITO 상에 4000 rpm으로 스핀코팅하고 200 ℃에서 10분 동안 경화시켜 ZnO 박막을 형성시켰다.
다음으로, 1,8-디요오도옥탄(1,8-diiodooctane, DIO) 3%(v/v)가 포함된 클로로벤젠 1 mL에 Poly([2,6′-4,8-di(5-ethylhexylthienyl)benzo[1,2-b;3,3-b]dithiophene]{3-fluoro-2[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl}) (PTB7-Th) 10 mg과 ([6,6]-phenyl C71 butyric acid methyl ester (PC71BM) 15 mg을 용해시켜 얻은 PTB7-Th 및 PC71BM의 블렌드 용액을 1800 rpm로 120초 동안 스핀-캐스팅(spin-casting)해서 활성층을 형성시켰다. 스핀 코팅 전에, 활성 용액을 0.45 ㎛ 멤브레인 필터로 여과했다. MoO3 층 및 Ag 층을 2 x 10-6 Torr에서 0.09 cm2의 소자 면적을 갖는 새도우 마스크를 통해 연속적으로 열 증착시켰다.
3. 단일 전자소자(electron-only device) 제작
소자에서 전자 이동도를 살펴보기 위해 ITO / PFN 및 산 유도체를 포함 또는 미포함하는 ZnO(25nm) / PC71BM)(70nm) / Ag(100nm)의 순서로 적층된 단일 전자소자(electron-only device)를 제작하였다.
우선, PC71BM층은 ITO / PFN 및 산 유도체를 포함 또는 미포함하는 ZnO 기판 상에 클로로포름을 용매로 하는 PC71BM 용액으로부터 스핀-캐스팅(spin-casting)을 통해 형성되었다. 스핀 코팅 전에 PC71BM 용액을 0.45 ㎛ 멤브레인 필터로 여과하였다. Al 층은 0.09 cm2의 소자 면적을 갖는 쉐도우 마스크를 통해 증착되었다.
<실험예>
X-선 광전자 분광법 (XPS)을 사용하여 ZnO 표면 위의 산 유도체의 존재를 분석하였다. 도 3(a)는 ZnO 표면에서 산 유도체의 XPS survey 스펙트럼을 보여준다. 해당 스펙트럼에서 530, 400 및 285 eV에서의 피크는 각각 O 1s, N 1s 및 C 1s에 해당된다. ZnO/PFN-CF3BA 및 ZnO/PFN-CF3AA XPS 스펙트럼의 688eV에서의 피크는 F 1s에 해당한다(도 3(b)). 도 3(c)에 도시된 바와 같이, ZnO/PFN-TsOH의 XPS 스펙트럼에서 169 eV에서의 피크는 S 2p에 대응한다. 산 유도체 및 PFN의 산-염기 반응 생성물의 존재가 XPS 스펙트럼에 의해 확인되었다. 1045 및 1021 eV에서의 피크는 각각 Zn 2p1/2 및 Zn 2p3/2에 해당한다. 산으로 개질된 PFN을 갖는 ZnO에서의 해당 피크의 위치는, 산으로 개질된 PFN을 표면에 포함하지 않는(pristine) ZnO의 스펙트럼에서보다 높은 결합 에너지 측으로 이동하였다. 이것은 Zn 원자 주변이 pristine ZnO에 비해 전자가 더 풍부해졌음을 의미한다. ZnO의 XPS 스펙트럼에서 532 및 530 eV에서의 피크는 각각 OH기 및 ZnO의 산소에 대응한다. 532 eV에서의 피크는 ZnO 및 산 유도체로부터 동시에 유래하기 때문에, OH 피크의 강도로부터 ZnO의 결함 부위의 수를 추정할 수는 없다.
pristine ZnO 표면과 PFN-산 유도체를 갖는 ZnO 표면의 정적 물 접촉각(static water contact angle, SWCA) 측정 결과에 따르면, 1.0 당량의 산 유도체가 첨가된 PFN를 갖는 ZnO 표면의 SWCA 측정값이 ZnO 표면의 SWCA 값(19.08°) 보다 더 큰 것으로 확인되었으며, 이는 PFN-산 유도체를 갖는 ZnO 표면이 pristine ZnO 표면에 비해 소수성이 더 크기 때문이다. 특히, 불소 원자의 높은 소수성으로 인해 PFN-CF3BA 및 PFN-CF3AA를 갖는 ZnO 표면이 다른 경우에 비해 더 큰 SWCA 값을 나타냈다. SWCA 데이터는 PFN-산 유도체의 물리적 특성과 관련성이 높으며, CBL로서 산 유도체 및 PFN의 서로 다른 조합을 갖는 PSC의 광전지 특성에 영향을 미친다.
상기 실시예에서 제조한 역구조형 PSC를 대상으로 상이한 유형의 산 유도체가 광전지 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 산 유도체의 최적 농도를 검출하기 위해 0.5 내지 6.0 당량 범위의 여러 상이한 양의 산 유도체를 시험한 결과, 1.0 당량의 산 유도체가 첨가된 PFN을 갖는 소자가 가장 높은 PCE를 나타냄을 발견하였다. AA의 경우, AA의 양은 소자의 PCE에 크게 영향을 미치지 않았다. 또한, 과량의 CF3BA 및 TsOH는 PCE에 유의미한 영향을 미치지 않았다. 이것은 아마도 이들 산 유도체가 고체 상태이기 때문일 것이다. 그러나, 6.0 당량의 산 유도체가 첨가된 PFN을 갖는 소자의 PCE는 다른 유형의 소자와 비교할 때 지나치게 낮았다.
한편, ZnO/6.0 당량의 CF3AA를 갖는 PFN의 표면 거칠기는 5.39 nm였으며, 이는 ZnO/1.0 당량의 CF3AA를 갖는 PFN의 표면 거칠기(3.02 nm)보다 지나치게 컸는데, 이는 과량의 액상 CF3AA는 ZnO 층을 악화시킬 수 있기 때문이다.
도 4는 모의 조명 하에서 가장 높은 PCE를 나타내는 최적 함량의 산 유도체가 첨가된 PFN를 구비한 PSC의 전류 밀도-전압 (J-V) 곡선을 나타낸다(삽입도는 암(dark) 상태에서의 J-V 곡선을 나타냄). AA, CF3BA, CF3AA 및 TsOH를 갖는 소자의 PCE는 각각 9.9 % (단락 전류(J sc ) = 18.8 mA/cm2, 개방 회로 전압(V oc ) = 0.80 V, 충진계수(FF) = 66.5 %), 10.3 % (J sc = 18.8 mA/cm2, V oc = 0.81 V, FF = 68.2 %), 10.3 % (
= 18.4 mA/cm2, V oc = 0.81 V, FF = 69.5 %), 및 10.6 % (J sc = 18.7 mA/cm2, V oc = 0.80 V, FF = 70.6 %)인 반면, pristine ZnO를 갖는 소자의 PCE는 8.7%(J sc = 17.7 mA/cm2, V oc = 0.80 V, FF= 61.4 %)이었다. 따라서, 1.0 당량의 산 유도체를 갖는 PFN/ZnO를 기반으로 한 소자를 사용하여 PCE의 현저한 개선을 달성할 수 있음이 명백하다. 1.0 당량의 AA, CF3BA, CF3AA 및 TsOH를 갖는 PFN/ZnO를 기반으로 한 PSC의 PCE는 pristine ZnO를 기반으로 한 PSC와 비교할 때 각각 15.0, 18.9, 18.2 및 21.4 % 개선되었다.
pristine ZnO를 갖는 PSC와 비교할 때, ZnO/PFN-AA(1.0 당량), ZnO/PFN-CF3BA(1.0 당량), ZnO/PFN-CF3AA(1.0 당량) 및 ZnO/PFN-TsOH(1.0 당량)를 기반으로 하는 PSC의 J sc 의 증가율은 각각 6.28, 6.51, 3.96 및 5.77 %이었고, FF의 증가율은 각각 8.3, 11.1, 13.2 및 15.0 %였다. 즉, J sc 와 FF 동시 향상이 소자의 효율성 향상의 주된 요인이다. J sc 의 추세를 이해하기 위해 ZnO 및 PFN로 개질된 ZnO의 켈빈 탐침 현미경(Kelvin probe microscopy, KPM) 측정을 수행하였다. ZnO/PFN-AA(1.0 당량), ZnO/PFN-CF3BA(1.0 당량), ZnO/PFN-CF3AA(1.0 당량) 및 ZnO/PFN-TsOH(1.0 당량)의 일함수는 각각 -4.09, -4.11, -4.07 및-4.06 eV로서 pristine ZnO의 일함수(-4.29 eV)보다 높다. 그에 따라, 계면에서의 에너지 오프셋은 다양한 산 유도체를 갖는 PFN 박막에 의해 감소되었다. 계면에서의 에너지 장벽의 감소는 전자 수집 능력(electron collection capability)을 촉진시켜 다양한 산 유도체를 갖는 PFN을 포함한 ZnO를 갖는 소자의 J sc 값은 pristine ZnO를 갖는 소자보다 우수하였다. 일함수 데이터는 J sc 의 추세와 잘 일치한다. 한편, 일함수와 J sc 데이터의 추세는 산 유도체의 유형에 크게 의존하지 않았다. 흥미롭게도, 소자의 PCE 및 FF는 산 유도체의 pKa 값 경향을 따른다.
암(dark) 상태 및 1.0 태양 조명 하에서 얻은 J-V 곡선으로부터 직렬 저항 (R s ) 및 션트 저항(R sh )을 구했다. 암(dark) 상태 하에서 ZnO/PFN-AA, ZnO/PFN-CF3BA, ZnO/PFN-CF3AA 및 ZnO/PFN-CF3AA 및 ZnO/PFN-TsOH를 구비한 소자의 R s 는 각각 2.64, 2.59, 2.48 및 2.12 Ωcm2이며 이들 수치는 ZnO을 구비한 소자의 R s (3.02 Ωcm2) 보다 작다. 1.0 태양 조명 하에서 소자의 R s 데이터는 암(dark) 상태 하에서의 R s 데이터보다 높되 그 추세를 따르는 것으로 나타났다. 그리고, R s 데이터는 FF 및 PCE의 경향을 뒷받침함을 알 수 있다. 소자의 입사 광전류 효율(IPCE) 곡선에서 계산된 J sc 데이터는 소자의 J sc 와 잘 일치했다. 1.0 태양 조명 하에서 ZnO/PFN-AA, ZnO/PFN-CF3BA, ZnO/PFN-CF3AA 및 ZnO/PFN-CF3AA 및 ZnO/PFN-TsOH를 구비한 소자의 션트 저항(R sh )은 각각 0.83, 1.00, 1.02 및 1.10 kΩcm2으로서 ZnO을 구비한 소자의 R sh (0.58 kΩcm2) 보다 컸다. 또한, 조명 하에서의 R sh 데이터는 소자의 FF의 경향과 잘 일치한다.
캐리어 재결합 및 전송 메커니즘을 관찰하기 위해, 암(dark) 상태 하에서 ZnO을 가지는 PSC와 ZnO/1.0 당량의 AA, CF3BA, CF3AA 또는 TsOH을 갖는 PFN을 가지는 PSC 각각의 전기 임피던스 스펙트럼(EIS)을 얻었다. EIS 측정은 1 Hz 내지 1.0 MHz 범위의 주파수로 상이한 인가 전압에서 암(dark) 상태에서 수행되었다.
도 5(a)는 0 V에서 소자의 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)로서 각 디바이스에 대해 전송 라인(transmission line)이 없는 단일 반원이 관찰되었다. 전송 라인은 일반적으로 전송 저항(transport resistance)이 재결합 저항 (recombination resistance, R rec )보다 작을 때 관찰되며 효율적인 전하 수집을 나타낸다. 강한 재결합의 경우, EIS 스펙트럼은 Gerischer 임피던스 모델을 따랐다. 전송 라인이 없으면 소자가 강력한 재결합을 겪는다는 것을 의미한다. 또한, 반원의 직경은 전하 전달 저항을 나타낸다. EIS 반원의 크기는 R rec 의 범위를 반영한다. 따라서, EIS에서 호(arc)의 크기는 PSC에서 전하 재결합 정도에 의존한다. 소자의 R rec 의 크기는 ZnO(1150 kΩ) < ZnO/PFN-AA(1490 kΩ) < ZnO/PFN-CF3BA(1890 kΩ) < ZnO/PFN-CF3AA(2350 kΩ) < ZnO/PFN-TsOH(2365kΩ)의 순으로 증가한다. 산으로 개질된 PFN을 도입하면 EIS의 반원 크기가 증가하고 R rec 가 증가하여 계면에서의 재결합이 억제된다. 특히, TsOH로 개질된 PFN을 기반으로 한 소자는 산 유도체 중에서 가장 높은 R rec 를 나타냈으며, 이는 계면 재결합이 가장 낮음을 나타내며, 이는 FF와 긴밀하게 연관되어 있다.
도 5(b)는 암(dark) 상태에서 R rec 를 인가된 전압의 함수로 나타낸 결과이다. 인가 전압이 증가함에 따라 R rec 는 점차 감소하며, 이것은 높은 인가 전압에서 전하 추출이 방해되기 때문이다. 산으로 개질된 PFN을 기반으로 한 소자의 R rec 는 각각의 인가 전압에서 pristine ZnO를 갖는 소자보다 높은 값을 나타냈다. 이와 같은 결과는 산으로 개질된 PFN을 갖는 소자가 전하 전달 및 전하 수송 중에 전하 재결합을 낮춘다는 것을 확인시켜 준다. 소자들 중에서, TsOH로 개질된 PFN은 다양한 인가 전압에서 가장 높은 R rec 를 나타냈다. 1.0 태양 조명 조건에서 0 V에서의 소자의 나이퀴스트 선도에 따르면, ZnO, ZnO/PFN-AA, ZnO/PFN-CF3BA, ZnO/PFN-CF3AA, ZnO/PFN-TsOH 각각을 기반으로 한 소자의 R rec 는 각각 3.69, 6.35, 6.69, 7.14 및 7.21 kΩ이었으며, 이들 수치는 조명 하에서 R sh 데이터와 잘 일치하며 암(dark) 상태에서 R rec 의 추세를 따른다. 1.0 태양 조명 조건 하에서 소자의 R rec 의 크기는 암(dark) 상태에서 소자의 R rec 보다 상당히 작다. 이는 광 유도(photo-induced) 전하 캐리어가 소자의 R rec 를 낮추기 때문이다.
ZnO 층의 전자 수송 특성을 살펴보기 위해 단일 전자소자(electron-only device) (ITO/ZnO/1.0 당량의 AA, CF3BA, CF3AA 또는 TsOH를 가진 PFN /PC71BM(60 nm)/Al(100 nm)를 제작해 테스트를 하였다. 소자의 전자 이동도는 Mott-Gurney 방정식을 사용하여 계산되었다. ZnO/1.0 당량의 AA, CF3BA, CF3AA 및 TsOH를 갖는 PFN 기반 소자의 전자 이동도는 각각 2.73 × 10-3, 3.30 × 10-3, 3.33 × 10-3 및 3.34 × 10-3 cm 2 V -2 s -2로서 pristine ZnO을 가진 소자의 전자 이동도(2.24 × 10-3 cm 2 V -2 s -2)보다 높았으며, 그에 따라 산으로 개질된 PFN을 갖는 ZnO에 기초한 소자의 J sc 데이터는 pristine ZnO를 갖는 소자보다 개선되었다. 하지만, 전자 이동도 데이터의 변화는 산 유도체의 유형에 크게 의존하지 않는 것으로 나타났으며, 이는 J sc 데이터가 산 유도체의 유형에 크게 의존하지 않는 이유가 될 수 있다.
또한, 소자의 전하 수송 특성과 전하 수집 특성과 관련해 광전류 밀도(J ph )와 유효 전압(V eff ) 사이의 관계를 평가했다. J ph 및 V eff 는 각각 J L (조명 하에서의 전류 밀도) - J D (암(dark) 상태에서의 전류 밀도) 및 V 0 (J ph = 0에서의 전압) - V a (인가 전압)로 정의될 수 있다. pristine ZnO에 기초한 소자와 ZnO/1.0 당량의 AA, CF3BA, CF3AA 및 TsOH를 갖는 PFN에 기초한 소자의 포화 광전류 영역(V sat )에서의 V eff 값은 각각 0.20, 0.18, 0.18, 0.16 및 0.15 V였다. V sat 가 작을수록 공간 전하 제한 영역(space-charge-limited regime)에서 포화 영역으로의 더 빠른 전이를 나타내기 때문에 포화 전압의 변화는 J sc 의 변화와 그 경향이 일치한다.
높은 V eff 에서 포화 전류 밀도(J sat )는 최대 여기자 생성 속도(maximum exciton generation rate, G max ), 여기자 분리 확률(exciton dissociation probability) 및 캐리어 운반 및 수집 확률과 상관성을 가질 수 있다. G max 는 식 J ph / q · L (q 및 L은 각각 활성층의 전자 전하 및 두께임)을 사용하여 계산되었으며, G max 는 활성층의 광 흡수와 관련이 있다. pristine ZnO에 기초한 소자와 ZnO/1.0 당량의 AA, CF3BA, CF3AA 및 TsOH를 갖는 PFN에 기초한 소자의 J sat 조건에서의 G max 는 각각 1.60 × 1028, 1.61 × 1028, 1.68 × 1028, 1.64 × 1028 및 1.66 × 1028 cm -3 s -1이었으며, G max 가 활성층의 흡광도(absorbance)에 의존하기 때문에 G max 에서 유의한 변화가 관찰되지는 않았다. 높은 V eff 에서 모든 광 생성 여기자(photo-generated exciton)가 자유 전하 캐리어로 분리될 때, J sat 는 캐리어 수송 및 수집에 의해 제한받는다. 따라서, 임의의 V eff 에서 캐리어 운송 및 수집 확률은 J ph /J sat 의 비율로부터 추정할 수 있다. 포화전류밀도(J sat )가 J ph 의 수렴값으로부터 추정되는 J ph 의 포화 영역에서, ZnO/1.0 당량의 AA, CF3BA, CF3AA 및 TsOH를 갖는 PFN을 갖는 PSC의 J ph /J sat 값은 각각 94.1, 94.5, 94.9 및 95.2 %였으며, 이는 pristine ZnO에 기초한 소자의 값(90.1 %)보다 높다. 이는 산으로 개질된 PFN이 소자의 캐리어 수송 및 수집을 개선시키기 때문이다. 산으로 개질된 ZnO를 갖는 소자의 J ph /J sat 데이터의 추세는 소자의 성능 추세를 따른다.
계면에서의 전하 재결합 동역학을 살펴보기 위해, 소자의 J sc 및 V oc 를 조도(illumination intensity)의 함수로 나타냈다. J sc 와 조도의 관계는 일반적으로 J sc ∝ I α (I는 조도)로 정의된다. α가 1인 경우, 소자는 단락 조건에서 완전히 이분자 재결합(bimolecular recombination)을 나타낸다. 도 6(a)에 도시된 바와 같이, ZnO/1.0 당량의 AA, CF3BA, CF3AA 및 TsOH를 갖는 PFN을 갖는 소자의 α는 각각 0.98, 0.98, 0.98 및 0.97로서 이는 prinstine ZnO을 갖는 소자의 α(0.96)와 비슷하며, 이는 계면에서의 공간 전하 감소로 인해 소자가 약간의 이분자 재결합을 나타낸다는 것을 의미한다. 그러나, α 값이 산 유도체의 종류에 의존하지는 않았다. 이러한 결과는 소자의 J sc 및 전자 이동성의 경향 과 일치한다.
도 6(b)는 V oc 을 조도(I)의 함수로 표시한 것으로서, V oc 과 조도의 관계는 V oc ∝ skT / q · ln(I)로 정의되며, 여기서 k, T 및 q는 각각 볼츠만 상수, 켈빈 온도 및 전자 전하이다. 소자에 트랩 보조 재결합(trap-assisted recombination) 채널만 있는 경우 s 값은 2가 되며, 대역 대 대역 재결합(band-to-band recombination)만 있는 경우에는 s 값은 1이 된다. ZnO/1.0 당량의 AA, CF3BA, CF3AA 및 TsOH를 갖는 PFN을 갖는 소자의 s 값은 각각 1.36, 1.28, 1.16 및 1.12로서 pristine ZnO를 갖는 소자의 s 값(1.37)에 비해 낮은 것으로 확인되었으며, 그에 따라 해당 소자는 감소된 트랩 보조 재결합을 나타냈다. 소자의 s 값의 변화는 PCE의 경향과 잘 일치하고 산 유도체의 pK a 값의 경향을 따른다.
또한, 소자를 패시베이션 처리 없이 질소 충전 글로브 박스에 보관하고 800 시간이 경과한 후, ZnO/1.0 당량의 AA, CF3BA, CF3AA 및 TsOH를 갖는 PFN을 갖는 소자의 PCE는 초기 PCE의 97, 97, 94, 97 및 96 %인 것으로 나타나 첨가제의 산도(acidity)는 소자 안정성에 크게 영향을 미치지 않았다. 그러나, 과량의 산 유도체를 갖는 소자는 1.0 당량의 산 유도체를 갖는 소자와 비교할 때 소자 안정성이 떨어지는 것으로 확인되었다. 1.0 당량의 AA, CF3BA, CF3AA 및 TsOH 각각에 대해 800 시간 경과 후 소자의 PCE는 초기 PCE의 88, 89, 90, 87 및 89 %인 것으로 나타났다. 한편, 800 시간 경과 후 pristine ZnO에 기초한 소자의 PCE는 91 %였다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (4)
- 음극 버퍼층(cathode buffer layer, CBL)을 포함하는 고분자 태양전지에 있어서,
상기 음극 버퍼층은 공액형 고분자 전해질(conjugate polymer electrolyte)과 산 유도체(acid derivative)의 반응 생성물로 이루어지며,
상기 공액형 고분자 전해질은 Poly[(9,9-bis(3'-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dihexylfluorene)] (PFN)이고,
상기 산 유도체는 트리플루오로아세트산(trifluoroacetic acid, CF3AA), 4-트리플루오로메틸벤조산(4-trifluoromethyl benzoic acid, CF3BA) 또는 4- 톨루엔 술폰산(4-toluene sulfonic acid, TsOH)인 것을 특징으로 하는 고분자 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 PFN과 산 유도체(acid derivative)의 반응은 하기 화학 반응식에 따라 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자 태양전지:
(상기 반응식에서, A-H는,
또는
).
- 제2항에 있어서,
상기 반응에서 PFN 함량 대비 1 당량의 산 유도체를 PFN과 반응시켜 산 유도체로 개질된 PFN을 합성하는 것을 특징으로 하는 고분자 태양전지. - 제3항에 있어서,
ITO 기판;
산화 아연(ZnO) 층;
상기 산 유도체로 개질된 PFN을 포함하는 버퍼층;
PTB7-Th 및 PC71BM을 포함하는 활성층;
산화 몰리브덴(MoO3) 층; 및
은(Ag) 전극층;이 순차적으로 적층된 인버티드(inverted) 구조인 것을 특징으로 하는 고분자 태양전지.
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|---|---|---|---|---|
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Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN106589325B (zh) * | 2016-12-05 | 2020-05-05 | 湘潭大学 | 一种含有苯并[c]噌啉的共轭聚合物及其合成方法与应用 |
| CN108242506B (zh) * | 2018-01-08 | 2020-07-28 | 吉林大学 | 一种带有银/金纳米粒子和光子晶体的半透明聚合物太阳能电池及其制备方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101126751B1 (ko) | 2009-12-31 | 2012-03-29 | 서울대학교산학협력단 | 전기 방사를 이용한 공액 고분자 나노 섬유와 이를 이용한 1차원 섬유 구조를 갖는 유기 태양전지의 제조 방법 |
| KR101282564B1 (ko) | 2011-09-07 | 2013-07-04 | 연세대학교 산학협력단 | 유기용매를 첨가한 전도성 유기박막의 제조방법 및 이를 이용한 유기태양전지 |
| KR101496036B1 (ko) | 2012-09-28 | 2015-02-26 | 주식회사 엘지화학 | 광 활성층, 이를 포함한 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Na Wu et al., Solar Energy Materials and Solar cell, 141, 248, 2015(2015.6.19.)* * |
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