유기 태양전지

Organic solar cell
그림 1. 플라스틱 태양전지 개요PET – 폴리에틸렌 테레프탈레이트, ITO – 인듐 주석 산화물, PEDOT:PSS – 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 활성층(일반적으로 폴리머:풀레렌 혼합), Al – 알루미늄.

유기 태양전지(OSC[1]) 또는 플라스틱 태양전지는 전도성 유기 고분자나 작은 유기 [2]분자를 다루는 전자제품의 한 분야인 유기전자를 광흡수 및 전하수송에 사용하여 태양광으로부터 전기를 생산하는 광전지의 일종이다.대부분의 유기 광전지는 폴리머 태양전지이다.

그림2. 솔라머사가 제조하는 유기광전지.

유기 태양 전지에 사용되는 분자는 높은 처리량에서 용액을 처리할 수 있고 가격이 저렴하기 때문에 [3]대량 제조를 위한 생산 비용이 저렴합니다.유기 분자의 유연성과 결합된 유기 태양 전지는 잠재적으로 광전 응용 분야에서 [4]비용 효율적입니다.분자 공학(예: 폴리머의 길이와 기능 그룹 변경)은 밴드 갭을 변화시켜 전자 조정성을 가능하게 한다.유기 분자의 광학적 흡수 계수는 높기 때문에, 보통 수백 나노미터 정도의 적은 양의 물질로 많은 양의 빛을 흡수할 수 있습니다.유기 광전지와 관련된 주요 단점은 실리콘 태양전지와 같은 무기 광전지에 비해 저효율, 저안정성, 저강도이다.

실리콘 기반 소자에 비해 폴리머 태양 전지는 가볍고(작은 자율 센서에 중요), 잠재적으로 일회용이며 제작 비용이 저렴하며(때로는 인쇄 전자 장치를 사용), 분자 수준에서 유연하고 사용자 지정이 가능하며 잠재적으로 환경에 미치는 악영향이 적습니다.고분자 태양 전지는 또한 투명성을 나타낼 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 창문, 벽, 유연한 전자 기기 등에 응용할 수 있습니다.그림 1에 디바이스의 예를 나타냅니다.고분자 태양 전지의 단점도 심각합니다. 즉, 고분자 태양 전지는 경질 물질의 1/3 정도의 효율을 제공하며 상당한 광화학 [5]열화를 경험합니다.

고분자 태양 전지의 비효율성과 안정성 문제,[6] 저렴한 비용과 높은[7] 효율성의[8] 약속으로 인해 태양 전지 연구 분야에서 인기 있는 분야가 되었다.2015년 기준으로 폴리머 태양전지는 탠덤 [9]구조로 10% 이상의 효율을 달성할 수 있었습니다.2018년에는 탠덤 [10]구조로 17.3%의 유기 태양광 발전 효율을 달성하였습니다.

물리

그림 3: 유기 태양광 재료의 예

광전지는 빛을 직류(DC) 전기로 변환하는 특수 반도체 다이오드입니다.광전지 셀은 광흡수 물질의 밴드 갭에 따라 저에너지, 적외선(IR) 또는 고에너지, 자외선(UV) 광자를 DC 전기로 변환할 수도 있습니다.태양광 발전에서 광흡수 재료로 사용되는 작은 분자와 중합체(그림 3)의 공통적인 특징은 모두 큰 켤레 시스템을 가지고 있다는 것이다.탄소 원자가 단결합과 이중결합을 번갈아 결합하는 공역계를 형성한다.탄화수소의 전자 pz 오비탈은 비국재화되어 δ* 반결합 오비탈을 형성한다.비국재화된 δ 오비탈은 가장 높은 점유율 분자 궤도(HOMO)이며, δ* 오비탈은 가장 낮은 점유율 분자 궤도(LUMO)이다.유기 반도체 물리학에서 HOMO는 원자가 대역 역할을 하고 LUMO는 전도 대역 역할을 합니다.HOMO와 LUMO 에너지 레벨 사이의 에너지 분리는 유기 전자 물질의 밴드 갭으로 간주되며 일반적으로 1~4 [11]eV 범위입니다.

밴드 갭보다 큰 에너지를 가진 모든 빛은 흡수할 수 있지만 밴드 갭보다 높은 에너지로 흡수된 광자는 여분의 에너지를 열적으로 방출하여 전압과 전력 변환 효율이 낮아지기 때문에 밴드 갭을 줄이는 단점이 있습니다.이러한 물질이 광자를 흡수할 때, 들뜬 상태가 생성되어 분자 또는 고분자 사슬의 영역에 한정됩니다.들뜸 상태는 들뜸 또는 정전 상호작용에 의해 결합되는 전자-공 쌍으로 간주할 수 있습니다.광전지에서 들뜸은 유효장에 의해 자유 전자-공 쌍으로 분해된다.유효 필드는 서로 다른 두 재료 간에 이질 결합을 생성하여 설정됩니다.유기광전학에서 유효장은 전자를 흡수체의 전도대에서 수용체 분자의 전도대로 떨어뜨려 들뜸을 분해한다.수용체 재료는 흡수체 [12][13][14][15]재료보다 낮은 전도 밴드 가장자리를 가져야 한다.

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그림 4: 플라렌 분자로 둘러싸인 확산 폴라론을 가진 폴리머 체인

폴리머 태양전지는 일반적으로 인듐 주석 산화물(ITO) 전도성 유리 위에 전자 또는 홀 차단층을 형성하고 이어서 전자 공여체와 전자 수용체(벌크 헤테로 접합 태양전지의 경우), 홀 또는 전자 차단층, 그리고 그 위에 금속 전극으로 구성됩니다.차단층의 성질과 순서는 물론 금속 전극의 성질은 셀이 일반 디바이스 아키텍처를 따르는지 반전 디바이스 아키텍처를 따르는지에 따라 달라집니다.반전셀에서는 정극과 부극이 반전되기 때문에 일반 디바이스와 마찬가지로 전하가 반대 방향으로 디바이스에서 빠져나간다.반전 셀은 보다 적합한 재료에서 캐소드를 사용할 수 있습니다. 반전 OPV는 정규 구조 OPV보다 수명이 길며, 일반적으로 [16]기존 OPV에 비해 더 높은 효율성을 보입니다.

벌크 헤테로 접합 폴리머 태양전지에서는 빛이 들뜸을 발생시킨다.전자공여체와 수용체 사이의 계면에서의 후속 전하 분리는 소자의 활성층 내에서 혼합된다.그런 다음 이러한 전하가 셀 밖으로 흐르는 장치의 전극으로 전송되어 작업을 수행한 후 반대편에 있는 장치에 다시 들어갑니다.세포의 효율은 몇 가지 요인, 특히 비유전자 재조합에 의해 제한된다.홀 모빌리티는 액티브 레이어 전체의 [17][18]전도를 고속화합니다.

유기광전지는 반도체 p-n 접합이 아닌 전자공여체와 전자수용체 재료로 만들어진다.유기 PV 셀의 전자공여 영역을 형성하는 분자는 일반적으로 탄소 p 오비탈 교배에서 발생하는 탈국소화 δ 전자를 가진 결합 고분자이다.이러한 δ전자는 스펙트럼의 가시적인 부분 또는 근처에서 분자의 가장 높은 점유율 분자 궤도(HOMO)에서 가장 낮은 점유율 분자 궤도(LUMO)까지 빛에 의해 들뜨고, δ - δ* 전이로 나타난다.이러한 궤도 사이의 에너지 밴드갭은 흡수할 수 있는 빛의 파장을 결정합니다.

무기결정성 PV셀 재료와 달리 띠구조와 탈국재화된 전자를 가진 유기광전지의 들뜸자는 0.1~1.4eV의 에너지로 강하게 결합되어 있다.이러한 강한 결합은 유기 분자의 전자파 기능이 더 국소화되기 때문에 발생하며, 따라서 정전기의 흡인력은 전자와 구멍을 들뜸으로 유지할 수 있다.전자와 홀은 전자의 화학적 잠재력이 감소하는 인터페이스를 제공함으로써 분리될 수 있습니다.광자를 흡수하는 물질은 공여체이며, 전자를 획득하는 물질은 수용체라고 불립니다.그림 3에서 폴리머 체인은 공여체이고, 플라렌은 수용체이다.해리 후에도 전자와 홀은 여전히 "유전자 쌍"으로 결합될 수 있으며, 이들을 분리하기 위해서는 전계가 필요하다.전자와 구멍은 접점에서 수집해야 합니다.전하 캐리어의 이동성이 부족하면 캐리어는 접점에 도달하지 않고 트랩사이트에서 재결합하거나 새로운 캐리어의 흐름을 방해하는 바람직하지 않은 공간 전하로 디바이스에 남습니다.전자와 홀의 이동성이 일치하지 않으면 후자의 문제가 발생할 수 있습니다.이 경우 공간 차지 제한 광전류(SCLP)는 디바이스의 성능을 저해합니다.

유기광전지는 활성 폴리머와 플라렌계 전자수용체로 제조할 수 있다.가시광선에 의한 이 시스템의 조명은 폴리머에서 플라렌 분자로의 전자 전달을 이끈다.그 결과, 폴리머 체인상에 광유기성 준입자, 즉 폴라론(P+)이 형성되어 플라렌이 라디칼 음이온이 된다(C−
60).폴라론은 이동성이 매우 높고 확산될 수 있다.

접합 유형

가장 단순한 유기 PV 장치는 평면 헤테로 접합을 특징으로 한다(그림 1).접점 사이에 전자공여체 또는 전자수용체 타입의 유기활물질(폴리머 또는 소분자)의 막을 끼운다.활성 물질에서 생성된 엑시톤은 재결합 및 분리되기 전에 확산되어 구멍과 전자가 특정 집전극으로 확산될 수 있습니다.전하 캐리어는 일반적인 비정질 유기 반도체에서 확산 길이가 3-10 nm에 불과하기 때문에 평면 셀은 얇아야 하지만 얇은 셀은 빛을 덜 흡수합니다.Bulk Hetherojunctions(BHJ; 벌크헤테로 접합)는 이 단점에 대처합니다.BHJ에서는 전자공여체와 수용체 재료의 혼합물이 혼합물로 주조되며, 혼합물은 상분리됩니다.장치 내 각 재료의 영역은 캐리어 확산에 적합한 거리인 수 나노미터만 떨어져 있다.BHJ는 나노 규모의 물질 형태학에 대한 민감한 제어를 필요로 합니다.중요한 변수에는 재료, 용제 및 기증자-수용체 중량비가 포함됩니다.

BHJ를 넘어서는 다음 논리적 단계는 태양전지용 나노물질 또는 OHJ(순서 헤테로 접합) 순서입니다.OHJ는 BHJ와 관련된 변동성을 최소화합니다.OHJ는 일반적으로 질서 있는 무기 물질과 유기 활성 영역의 하이브리드입니다.예를 들어 TiO2 등의 세라믹 내 모공에 광전성 폴리머를 퇴적시킬 수 있다.구멍은 여전히 폴리머를 통해 접촉까지 모공의 길이를 분산시켜야 하므로 OHJ도 비슷한 두께 제한을 받습니다.OHJ의 디바이스 퍼포먼스를 한층 더 향상시키기 위해서는, 모빌리티의 보틀 넥을 완화하는 것이 중요합니다.

싱글 레이어

그림 5: 단층 유기 광전지 스케치

단층 유기 광전지는 가장 단순한 형태이다.이러한 셀은 유기 전자 재료 층을 2개의 금속 도체 사이에 끼워서 만들어집니다. 일반적으로 작업 기능이 높은 인듐 주석 산화물(ITO) 층과 알루미늄, 마그네슘 또는 칼슘과 같은 작업 기능이 낮은 금속 층입니다.이러한 셀의 기본 구조는 그림 5와 같다.

두 도체 간의 작업 기능의 차이는 유기층에 전계를 설정한다.유기층이 빛을 흡수하면 전자는 LUMO에 들뜨고 HOMO에 구멍을 내 들뜸을 형성한다.서로 다른 작업 기능에 의해 생성되는 전위는 전자를 양극(회로의 비금속 부분과 접촉하는 데 사용되는 전기 전도체)으로 끌어당기고 음극에 [12][13][14]구멍을 뚫어 여기자 쌍을 분할하는 데 도움이 됩니다.

예

1958년 광전 효과 또는 마그네슘 프탈로시아닌(MgPc)을 기반으로 한 셀의 전압 생성은 질소 원자-탄소 원자 고리 구조를 교대로 가진 거시 순환 화합물로서 200mV의 [19]광전압을 갖는 것으로 밝혀졌다.Al/MgPc/Ag 셀은 690 [20]nm에서 조명 시 0.01%의 광전 효율을 얻었다.

복합 폴리머는 또한 이러한 유형의 광전지에도 사용되었다.한 장치는 Al과 흑연을 포함한 폴리아세틸렌(그림 1)을 유기층으로 사용하여 0.3V의 개방 전압과 0.3%[21]의 전하 포집 효율성을 생성했다.Al/poly(3-netyl-티오펜)/Pt셀은 외부 양자수율 0.17%, 개방전압 0.4V, 충전률 0.3이었다.[22]ITO/PPV/Al 셀은 백열조명 [23]하에서 1V의 개방전압과 0.1%의 전력변환효율을 보였다.

문제들

단층 유기 태양 전지는 잘 작동하지 않는다.양자 효율이 낮습니다(1% 미만), 전력 변환 효율이 낮습니다(0.1%)이들 전극의 주요 문제는 두 도전성 전극의 차이로 인한 전계가 들뜸을 분할하기에 거의 충분하지 않다는 것입니다.종종 전자는 전극에 도달하지 않고 구멍과 재결합합니다.

이중층

그림 6: 다층 유기 광전지 스케치.

이중층 셀은 도전성 전극 사이에 두 개의 층을 포함한다(그림 6).두 층은 전자 친화력과 이온화 에너지가 다르기 때문에 두 층 사이의 계면에서 정전력이 발생합니다.빛은 효율적인 전하 분리 및 수집을 위해 이 작은 충전 영역에 들뜸을 생성해야 합니다.이 재료는 이러한 국소 전기장이 강할 정도로 충분히 큰 차이를 만들기 위해 선택되며, 이는 단층 태양광 전지보다 들뜸을 훨씬 효율적으로 분할합니다.전자 친화력과 이온화 전위가 높은 층은 전자 수용체이고, 다른 층은 전자 공여체이다.이 구조는 평면 기증자-수용체 헤테로 [12][13][14][15]접합이라고도 합니다.

예

C는60 전자 친화력이 높아 좋은 수용체이다.C60/MEH-PPV 이중층 셀은 단색 [24]조명 하에서 0.48의 비교적 높은 필 팩터와 0.04%의 전력 변환 효율을 보였다.PPV/C60 셀은 단색 외부 양자 효율 9%, 전력 변환 효율 1% 및 충진율 0.[25]48을 보였다.

페리렌 유도체는 높은 전자 친화력과 화학적 안정성을 나타냅니다.전자공여체로서의 구리 프탈로시아닌(CuPc) 층 및 전자수용체로서의 페리렌 테트라카르본 유도체 층으로 AM2 조명 시뮬레이션 [26]하에서 0.65의 충전률 및 1%의 전력 변환 효율을 가진 셀을 제작한다.홀스 등은 전자 공여체로 PPV 층 위에 비스(페네틸리미드) 페리렌 층을 가진 세포를 제작했다.이 셀은 단색 조명 하에서 6%의 피크 외부 양자 효율과 1%의 전력 변환 효율, 최대 0.[27]6의 충전율을 보였다.

문제들

유기 전자 물질에서 들뜸의 확산 길이는 일반적으로 10 nm입니다.대부분의 엑시톤이 층의 계면으로 확산되어 캐리어로 분할되기 위해서는 층 두께가 확산 길이와 동일한 범위에 있어야 한다.그러나 폴리머 층은 충분한 빛을 흡수하기 위해 일반적으로 최소 100 nm의 두께가 필요합니다.이 큰 두께에서는, 여기자의 극히 일부만이 헤테로 접합 계면에 도달할 수 있다.

이산 헤테로 접합

3층(수용체 2개와 기증자 1개) 플라렌이 없는 스택은 8.4%의 변환 효율을 달성했습니다.구현으로 인해 높은 단선 전압과 가시 스펙트럼 및 높은 단락 전류가 흡수되었다.양자 효율은 400nm와 720nm 파장 사이에서 75% 이상이었으며 개방 전압은 약 [28]1V였습니다.

벌크 헤테로 접합

그림 7: 분산 접합 광전지 스케치

벌크 헤테로 접합은 공여체와 수용체 재료의 나노 크기 혼합으로 이루어진 흡수층을 가진다.이 혼합의 도메인 크기는 약 나노미터로, 짧은 수명을 가진 들뜸이 계면에 도달하고 큰 기증자-수용체 계면 [29]영역 때문에 분리될 수 있습니다.그러나 효율적인 벌크 헤테로 접합은 기증자 재료가 구멍 운반 전극(그림 7의 전극 1)에 도달하고 수용체 재료가 전자 운반 전극(전극 2)에 도달할 수 있도록 충분히 큰 도메인 크기를 유지해야 한다.이 침투 네트워크가 없으면 전하가 기증자 또는 수용자의 리치 도메인에 갇혀 재결합이 이루어질 수 있습니다.벌크 헤테로 접합은 레이어드 광활성 구조보다 유리하다.왜냐하면, 레이어드 구조의 배향에 관한 어려운 처리 없이 효과적인 광자 흡수를 위해 충분히 두껍게 만들 수 있기 때문이다.

벌크 헤테로 접합은 일반적으로 주조(예: 드롭 주조 및 스핀 코팅)의 두 가지 구성 요소를 포함하는 용액을 형성한 다음 보통 아닐 단계의 도움을 받아 두 상을 분리함으로써 생성됩니다.2개의 컴포넌트는 [30]2개의 전극을 연결하는 상호관통망으로 자가 조립됩니다.이들은 보통 켤레 분자 기반 공여체와 플라렌 기반 수용체로 구성된다.벌크 헤테로 접합의 나노구조적 형태학은 제어하기 어려운 경향이 있지만 태양광 발전 성능에 매우 중요합니다.

광자 포획 후 전자는 수용체 영역으로 이동하고, 그 후 소자를 통해 반송되어 한쪽 전극에 의해 수집되며, 구멍은 반대 방향으로 이동하여 다른 쪽으로 수집된다.두 재료의 분산이 너무 미세하면 [13][14][19][31]층을 통한 전하 전달이 원활하지 않습니다.

대부분의 벌크 헤테로 접합 셀은 두 가지 성분을 사용합니다. 단, 3성분 셀은 이미 조사되었습니다.세 번째 성분인 2차 p형 공여 폴리머는 태양 스펙트럼의 다른 영역에서 빛을 흡수하는 역할을 한다.이것은 이론적으로 흡수되는 빛의 양을 증가시킨다.이들 3원 셀은 전하 전달, 에너지 전달 또는 병렬 링크의 세 가지 메커니즘 중 하나를 통해 작동합니다.

충전 전송에서는 두 기증자가 모두 무료 통신 사업자의 생성에 직접 기여합니다.구멍은 양극에서 채취하기 전에 하나의 기증자 도메인만 통과합니다.에너지 전달에서, 오직 한 명의 기증자만이 구멍 생산에 기여합니다.두 번째 기증자는 빛을 흡수하기 위해서만 작용하여 여분의 에너지를 첫 번째 기증자에게 전달합니다.병렬 연결에서, 두 기증자는 독립적으로 엑시톤을 생성하며, 이 엑시톤은 각각의 기증자/수용체 인터페이스로 이동하여 [32]분리된다.

예

벌크 헤테로 접합 광전지에서는 전자수용체 재료로서 C 등의60 풀레렌과 그 유도체를 이용한다.MEH-PPV와 메타노 관능화 C60 유도체를 헤테로 접합으로, ITO와 Ca를[33] 전극으로 혼합한 세포는 단색 조명 하에서 양자 효율 29%, 전력 변환 효율 2.9%를 보였다.MEH-PPV와 P3의 치환HT는 10V 역편향 [34][35]하에서 45%의 양자 수율을 생성했다.전자수용체 수정에 있어 한층 더 진보한 결과, PCBM을71 전자수용체로, [36]PTB7-Th를 전자공여체로 혼합하여 전력변환효율이 10.61%인 소자가 탄생했다.

폴리머/폴리머 블렌드는 분산된 헤테로 접합 광전지에도 사용된다.전극으로 Al과 ITO를 사용한 CN-PPV와 MEH-PPV의 혼합은 1%의 피크 단색 전력 변환 효율과 0.38의 [37][38]충진율을 산출했다.

염료 감응형 광전지 또한 이러한 유형의 중요한 예로 간주될 수 있다.

문제들

PCBM과71 같은 풀레렌은 종종 고성능 벌크 헤테로 접합 태양 전지에서 발견되는 전자 수용체 물질입니다.그러나 이러한 전자수용체 재료는 가시광선을 매우 약하게 흡수하여 강하게 흡수하는 전자공여 재료가 차지하는 부피율을 감소시킨다.또한, 풀레렌은 전자 조정성이 낮기 때문에 더 높은 전압에 대해 더 매력적인 전자 구조를 가진 복합 시스템의 개발에 제약을 가한다.이 플라렌을 전자적으로 조정되고 빛 [39]흡수에 기여할 수 있는 유기 분자로 대체하려는 시도가 최근 행해지고 있다.

단계적 헤테로 접합

전자공여체와 수용체는 경사가 점진적인 방식으로 혼합된다.이 아키텍처는 분산된 헤테로 접합에서 짧은 전자 이동 거리를 양층 [40][41]기술의 전하 구배와 결합합니다.

예

CuPc와 C가60 혼합된 셀은 등급별 헤테로 [42]접합에 대해 100mW/cm2 시뮬레이션 AM1.5G 태양 조명을 사용하여 양자 효율 50%, 전력 변환 효율 2.1%를 보였다.

연속 접합

등급별 헤테로 접합과 마찬가지로 연속접합 개념은 전자공여체에서 전자수용체로의 점진적 전환을 실현하는 것을 목표로 한다.단, 전기수용체 재료는 중합 후 [43]수식공정에서 도너 폴리머로부터 직접 제조된다.

생산.

액티브 레이어가 디바이스 효율을 좌우하기 때문에 이 컴포넌트의 형태학이 [44]큰 주목을 받았다.

한 물질이 다른 물질보다 용매에 더 잘 용해되면 먼저 기판 위에 침전되어 필름에 농도 기울기를 일으킵니다.이는 폴리-3-헥실 티오펜(P3)에 대해 입증되었다.HT), 페닐-C-낙산에스테르61(PCBM) 장치. ODCB [45]용액에서 스핀 코팅 시 PCBM이 장치 바닥을 향해 축적되는 경향이 있습니다.이러한 효과는 코팅 절차 중에 용해성이 높은 성분이 "용제 농후" 단계로 이동하는 경향이 있어 용해성이 높은 성분이 더 오래 유지되는 필름의 바닥 쪽으로 축적되기 때문입니다.생성된 막의 두께는 결정화와 침전물의 역학이 더 농축된 용액이나 더 빠른 증발 속도(두꺼운 장치를 만드는 데 필요)에 따라 다르기 때문에 상 분리에 영향을 미칩니다.결정성 P3구멍 수집 전극에 가까운 HT 농축은 상대적으로 얇은(100nm) P3에서만 달성될 수 있습니다.HT/[46]PCBM 레이어

초기 형태학에서의 구배는 주로 용매 증발 속도와 혼합물 내부의 공여체와 수용체 사이의 용해성의 차이에 의해 생성된다.용해도에 대한 이러한 의존성은 플라렌 유도체와 P3를 사용하여 명확하게 입증되었다.HT.[47] 느린 속도로 증발하는 용제(클로로벤젠(CB) 또는 디클로로벤젠(DCB))를 사용하면 수직 분리 또는 응집 정도를 크게 얻을 수 있지만 증발 속도가 빠른 용제는 수직 분리 효과가 훨씬 떨어집니다.용해도 구배가 클수록 수직 분리가 더 효과적이며, 구배가 작을수록 균질한 필름이 더 많이 생성되어야 한다.이 두 가지 효과는 P3에서 검증되었다.PCBM [48][49]태양전지

용매 증발 속도 및 후방 용매 증기 또는 열 어닐링 절차도 [50]연구되었습니다.P3 등의 혼합HT: PCBM은 서멀 어닐링 절차의 이점을 얻을 수 있을 것으로 생각되지만, PTB7과 같은 다른 절차는 다음과 같습니다.PCBM,[51] 아무런 이득도 없는 것 같아P3HT에서 이점은 P3의 결정성의 증가에서 오는 것으로 보인다.HT 단계: 이러한 도메인 내에서 PCBM 분자를 제외함으로써 생성됩니다.이는 P3의 PCBM 혼재성 연구를 통해 입증되었습니다.HT와 도메인 구성은 어닐링 시간의 [52][53][54]함수로 변화합니다.

혼합성에 기초한 위의 가설은 벌크 헤테로 접합 장치 내에 도너 또는 수용체 재료의 순수한 비정질 위상만 존재하지 않기 때문에 장치의 효율성을 완전히 설명하지는 않는다.2010년[55] 한 논문은 순수 위상 및 이산 인터페이스를 가정한 현재 모델은 순수 비정질 영역이 없을 경우 실패할 수 있다고 제안했다.현재 모델은 위상 순도를 고려하지 않고 인터페이스에서 위상 분리를 가정하므로 모델을 변경해야 할 수 있습니다.

열 어닐링 절차는 적용 시기에 따라 달라집니다.수직종 이동은 활성층과 공기 또는 다른 층 사이의 표면 장력에 의해 부분적으로 결정되기 때문에 추가 층(대부분 금속 음극)의 퇴적 전후의 아닐링이 결과에 영향을 미칩니다.P3의 경우HT:PCBM 태양전지의 수직 이동은 금속음극의 퇴적 후 셀이 아닐될 때 개선된다.

인접한 층 옆에 있는 공여체 또는 수용체 축적은 장치 성능에 도움이 될 수 있는 홀 또는 전자 차단 효과로 이어질 수 있기 때문에 유익할 수 있다.2009년 P3의 수직 분포 차이HT: PCBM 태양 전지는 전자 이동성에 문제를 일으켜 매우 낮은 장치 [56]효율성을 초래하는 것으로 나타났습니다.디바이스 아키텍처의 심플한 변경– P3 위에 얇은 PCBM 층을 스핀 코팅HT – 디바이스 컴포넌트 간에 재현 가능한 수직 분리를 제공함으로써 셀의 재현성을 크게 향상시킵니다.효율을 높이려면 PCBM과 캐소드 간의 높은 접촉이 필요하기 때문에 디바이스 재현성이 크게 향상됩니다.

중성자 산란 분석에 따르면 P3는HT: PCBM 혼합은 "스트림"(PCBM 영역)[57]에 의해 중단되는 "리버"(P3HT 영역)로 설명되었습니다.

용제 효과

스핀 코팅 및 증발 조건은 장치 [58][59]효율에 영향을 미칩니다.용제 및 첨가제는 기증자 수용체 [60]형태학에 영향을 미칩니다.첨가제는 증발을 늦추고, 결정성 고분자를 증가시켜 구멍 전도율과 효율을 향상시킵니다.대표적인 첨가물로는 1,8-옥탄디티올, 오르토-디클로로벤젠, 1,8-디요오드옥탄(DIO) 및 니트로벤젠이 [48][61][62][63]있다.DIO 효과는 PCBM 성분의 선택적 가용화에 기인했으며, 전자의 평균 호핑 거리를 근본적으로 수정하여 전자 [64]이동성을 향상시켰다.첨가제는 또한 [65]폴리머의 효율을 크게 높일 수 있다.HXS-1/PCBM 태양 전지의 경우, 영향은 전하 생성, 운송 및 선반 [66]안정성과 상관관계가 있었다.PTTO와 같은 다른 중합체도 첨가제가 없는 약 3.7%에서 5% 이상의 PCE 값을 달성하여 DIO로부터 상당한 이점을 얻는다.

클로로나프탈렌(CN)으로 제조된 폴리머 태양전지는 기존의 순수한 클로로벤젠 용액으로 제조된 것보다 높은 효율을 누린다.이는 기증자-수용체 형태가 변화하여 기증자 폴리머와 플라렌 사이의 위상 분리가 감소하기 때문입니다.그 결과, 이것은 하이 홀 모빌리티로 해석됩니다.코솔벤트가 없으면 플라렌 형태의 큰 도메인이 용액의 폴리머 응집 때문에 셀의 광전 성능을 저하시킨다.이 형태학은 건조 중 액체-액상 분리에서 비롯됩니다. 용해 증발이 혼합물이 스피노달 영역으로 들어가면서 열 변동이 심합니다.도메인이 크면 전자가 효율적으로 수집되지 않습니다(PCE [67]감소).

폴리머 구조의 작은 차이는 결정 패킹에 중대한 변화를 가져올 수 있으며, 이는 디바이스 형태학에 필연적으로 영향을 미칠 수 있습니다.PCPDTBT는 두 고분자 간 가교 원자의 차이(C 대 Si)로 인해 발생하는 PSBTBT와 다르며, 이는 PCPDTBT를 통해 더 나은 형태학이 달성될 수 있음을 의미한다.첨가물의 [68]도움 없이 양호한 형태학을 실현하는 Si계와는 달리 첨가물이 함유된 PCBM 태양전지.

자가조립셀

초분자 화학은 스핀 주조 및 가열 시 조립되는 공여체 및 수용체 분자를 사용하여 조사되었습니다.대부분의 초분자 조립체는 작은 [69][70]분자를 사용한다.관상 구조의 기증자와 수용체 도메인은 유기 태양 [71]전지에 이상적으로 보입니다.

플라렌을 함유한 디블락 폴리머는 열소둔 [72]시 안정적인 유기 태양전지를 생성한다.적절한 초분자 상호작용이 [73]도입될 때 미리 설계된 형태학이 있는 태양 전지가 생성되었다.

폴리티오펜 유도체를 포함한 BCP의 진행은 잘 정의된 네트워크로 조립되는 [74]태양 전지를 생성한다.이 시스템의 PCE는 2.04%입니다.수소 결합은 형태학을 안내한다.

코폴리머 어프로치에 근거한 디바이스 효율은, 아직 2%의 벽을 넘지 않은 반면, 벌크 헤테로 [75]접합 디바이스는 싱글 접합 구성의 효율이 7%를 넘습니다.

도메인 구성을 연구하기 위해 풀레렌 이식 [76]로드-코일 블록 공중합체를 사용해 왔다.

유기 태양 전지에 대한 초분자적 접근은 영역 분리를 촉진하는 고분자 힘에 대한 이해를 제공합니다.

투명 폴리머 셀

투명 또는 반투명 PSC는 가시 스펙트럼 밖에서 저에너지 또는 고에너지 광자의 흡수를 허용하므로 태양광 이용 능력을 최적화하고 광범위한 흡수 [77][78]스펙트럼을 커버한다.이러한 유형의 PSC는 가시 스펙트럼 내의 광자에 대한 감도가 낮기 때문에 근적외선 또는 자외선 광자를 포착하는 데 이상적이다.일반적인 PSC는 불투명한 금속 전극을 사용하여 투명도를 제한하고 성능을 [77]제한합니다.PSC의 흡수체 층은 본질적으로 [79]반투명하다.따라서 가시적으로 투명한 PSC를 달성하기 위한 한 가지 방법은 상단 전극을 더 투명하게 수정하는 것입니다.반투명 탑 [80][81]전극 제작에는 ITO, 초박형 금속, 금속 그리드, 그래핀, 카본 나노튜브 등이 사용됐다.그러나 투명 PSC의 성능은 불투명한 전극 PSC에 [82]비해 부족한 것으로 나타났다.상단 전극이 투명하게 되면 흡수체 층에 전자장을 가두는 셀의 능력이 저하되어 PCE가 낮아집니다.현재 [80]그러한 세포의 PCE를 개선하기 위한 광범위한 연구가 진행되고 있다.이러한 유형의 PSC는 건물 일체형 태양광 발전, 탠덤 장치 및 휴대용 전자 [77][81][82]장치에 적용되어 왔다.

적외선 폴리머 셀

적외선 셀은 가시 파장보다 적외선 범위의 빛을 우선적으로 흡수한다.2010년 연구에서는 후면에 CNT 필름 탑 전극이 있고 전면에 ITO 유리층이 있는 적외선 투명 PSC를 개발하여 셀의 양쪽에서 광학적 투과율을 실현했습니다.ZnO 레이어는 P3를 사용하여 ITO 위에 배치되었습니다.HT: ZnO에 PCBM 레이어가 추가되어 ITO/ZnO/P3가 작성됨HT: PCBM/CNT(하단부터 상단) 셀.상단 CNT 전극과 하단 ITO 전극 모두 500nm - 2.5um 스펙트럼 내에서 80%의 투과율을 보였다.셀 자체의 광학 투과율은 670 nm ~ 1.2 um 범위에서 80%, 1.2 um ~ 2.5 um 범위에서 60%였습니다.반대로, 상단 전극이 Ag인 대조 셀은 이 스펙트럼 내에서 투과율을 나타내지 않았다.또한 셀은 P3의 가시 흡광도가 높기 때문에 가시 영역의 투과율이 상대적으로 낮았습니다.HT: PCBM 레이어이러한 셀은 탠덤 디바이스 및 PSC의 [77]수직 어셈블리에 적용할 수 있습니다.

2012년 현재 적외선 전지는 가시광선에 대해 거의 70% 투명하다.전해지는 바에 따르면 셀은 용액 처리를 이용하여 저비용으로 대량으로 만들 수 있다.셀은 상단 전극으로 은나노와이어/이산화티타늄 복합 필름을 사용하여 기존의 불투명한 금속 전극을 대체합니다.이 조합으로 4%의 전력 변환 효율이 [83]달성되었습니다.

2014년에는 전자공여체로서 나프토디티오펜 다이미드와 비티오펜(PNDTI-BT-DT)의 공중합체를 기반으로 한 근적외선 폴리머 태양전지를 PTB7과 조합하여 제작하였다.PNDTI-BT-DT와 PTB7은 모두 청정막과 유사한 혼합막에서 결정 구조를 형성하여 두 [84]폴리머에서 효율적인 전하 생성으로 이어졌다.

많은 연구가 PSC용 투명 상단 전극 개발에 집중되어 왔다.그러나 2017년 연구에서는 반투명 PSC의 활성 층 최적화를 탐구했다.연구진은 폭이 좁은 밴드갭 폴리머 공여체 PTB7-Th와 비풀레렌 수용체 IHIC를 모두 이용한 효율성이 향상된 반투명 PSC를 제안했다.이 연구의 결과는 제안된 PSC가 적외선 스펙트럼에서는 높은 투과율과 흡수를 보였지만 가시 스펙트럼에서는 낮은 흡수를 보였다.이 세포는 비교적 안정적이며 최대 PCE가 9.77%로 2017년 현재 보고된 PCE [85]값 중 가장 높다.

일반적인 전류-전압 동작 및 전력 변환 효율

무기 광전지와 유사한 유기 광전지는 일반적으로 전류-전압 [86]분석을 통해 특성화된다.이 분석에서는 디바이스 퍼포먼스를 이해하기 위해 사용되는 여러 디바이스 메트릭 값이 제공됩니다.가장 중요한 지표 중 하나는 전력 변환 효율(PCE)입니다.

Organic Photovoltaic Current Voltage Curve

PCE(θ)는 단락전류(JSC), 개방전압(VOC) 및 충전률(FF)의 곱에 비례하며, 이들 모두는 전류-전압곡선에서 구할 수 있다.

여기서in P는 입사 태양광 발전입니다.

단락 전류(Jsc)는 최대 광전류 생성 [87]값입니다.전류가 y축을 따라 플롯되고 전압이 x축을 따라 플롯되는 표준 전류-전압 곡선의 y 절편 값에 해당합니다.유기 태양 전지 내에서 단락 전류는 다양한 물질 요인에 의해 영향을 받을 수 있습니다.여기에는 전하 캐리어의 이동성, 광학적 흡수 프로파일 및 전하 캐리어의 효율적인 추출을 위한 일반적인 에너지 구동력이 포함됩니다.

개방 전압(Voc)은 장치에 [87]전류가 흐르지 않을 때의 전압입니다.이는 전류 전압 곡선의 x 절편에 해당합니다.벌크 헤테로 접합 유기 태양광 발전 장치 내에서 이 값은 HOMO 및 LUMO 에너지 수준과 활성층 재료의 작업 기능에 크게 의존합니다.

전력은 전압과 전류의 곱이므로 전압과 전류 사이의 곱이 최대화될 때 최대 전력점이 발생합니다.

채우기 계수 FF는 전류 전압 [86]곡선의 "제곱"으로 간주할 수 있습니다.이 값은 최대 전력 값의 몫이며 개방 회로 전압 및 단락 [86]전류의 곱입니다.이는 위 그림에 노란색 직사각형과 파란색 직사각형의 면적의 비율로 나타나 있습니다.유기 태양광 발전의 경우, 이 충전 계수는 기본적으로 [87]장치로부터 효율적으로 생성된 전하를 추출하는 방법에 대한 척도이다.이는 장치를 통해 전달되는 전하와 [87]재결합하는 전하 사이의 "경쟁"이라고 생각할 수 있습니다.

폴리머 태양 전지를 둘러싼 주요 문제는 제조된 전지의 낮은 전력 변환 효율(PCE)입니다.상업적으로 실행 가능한 것으로 간주되기 위해서는 PSC가 최소 10–15[88]%의 효율성을 달성할 수 있어야 한다. 이는 이미 무기 PV보다 훨씬 낮다.그러나 폴리머 태양 전지의 낮은 비용 때문에 10-15%의 효율성이 상업적으로 실현됩니다.

고분자 태양전지 성능의 최근 발전은 밴드갭을 압축하여 단락 전류를 향상시키고 최고 점유 분자 궤도(HOMO)를 낮춰 개방 전압을 높인 결과입니다.그러나 PSC는 여전히 낮은 채우기 계수(일반적으로 70% 미만)로 인해 어려움을 겪고 있습니다.그러나 2013년 현재, 연구자들은 75% 이상의 채우기 계수를 가진 PSC를 제작할 수 있었습니다.과학자들은 역전된 BHJ를 통해 그리고 비전통적인 기증자/[89]수용체 조합을 사용하여 성취할 수 있었다.

상용화

연도별 "폴리머 태양 전지" 주제에 기여하는 과학 출판물의 수.ISI, Web of [90]Science를 통한 검색.

폴리머 태양전지는 아직 실리콘 태양전지 및 다른 박막전지와 상업적으로 경쟁하지 않았다.현재 폴리머 태양 전지의 효율은 실리콘 셀에 훨씬 못 미치는 10%에 가깝습니다.폴리머 태양 전지는 효과적인 보호 코팅이 없는 환경 악화를 겪습니다.

전하 캐리어 확산을 촉진하기 위해서는 성능의 추가 개선이 필요합니다.순서와 형태 제어를 통해 트랜스포트를 강화해야 합니다.인터페이스 간 전하 전송 문제에 대해서는 인터페이스 엔지니어링을 적용해야 합니다.

폴리머 태양전지 효율을 높이기 위해 탠덤(tandem) 구조를 활용하는 연구가 진행되고 있다.무기 탠덤 아키텍처와 마찬가지로 유기 탠덤 아키텍처는 효율성을 높일 것으로 예상됩니다.저밴드갭 재료를 사용하는 단일 접합 장치에 비해 탠덤 구조는 광자에서 전자로 변환 [9]시 열 손실을 줄일 수 있다.

폴리머 태양전지는 상업적으로 널리 생산되지 않는다.코나르카 테크놀로지는 2008년부터 폴리머-플루렌 태양전지의 [91]생산을 개시했다.초기 모듈의 효율은 3~5%였으며, 지속 시간은 몇 년밖에 되지 않았습니다.코나르카는 폴리머 태양전지가 PV시장에 침투하지 못했기 때문에 파산 신청을 했다.

또한 PSC는 여전히 낮은 채우기 계수(일반적으로 70% 미만)로 인해 어려움을 겪고 있습니다.그러나 2013년 현재, 연구자들은 75% 이상의 채우기 계수를 가진 PSC를 제작할 수 있었습니다.과학자들은 역전된 BHJ를 통해 그리고 비전통적인 기증자/[89]수용체 조합을 사용하여 성취할 수 있었다.

그러나 비용 절감과 PSC 생산을 위한 실용적인 접근법을 제창하기 위해 고분자 태양전지의 고급 제조 노력이 이루어지고 있다.이러한 노력에는 완전한 롤 투 롤 솔루션 처리가 포함됩니다.그러나 롤 투 롤 용액 처리는 폴리머 태양 전지의 수명이 짧기 때문에 온 그리드 전력 생산에는 적합하지 않습니다.따라서 폴리머 태양전지의 상업적인 응용 분야에는 여전히 주로 가전제품과 [92]가전제품이 포함됩니다.

유기 태양전지 모델링

이상과 같이 유기 반도체는 장거리의 순서가 없는 무질서한 물질이다.즉, 전도 대역과 원자가 대역 가장자리가 제대로 정의되어 있지 않습니다.게다가 이 물리적이고 에너지적인 장애는 광생성 전자와 구멍이 갇힌 후 최종적으로 재결합할 수 있는 트랩 상태를 생성한다.

장치 모델에서 유기 태양 전지를 정확하게 기술하는 열쇠는 운반체 포획과 트랩 상태를 통한 재결합을 포함하는 것이다.일반적으로 사용되는 접근방식은 효과적인 매체 모델을 사용하는 것이며, 여기서 표준 드리프트 확산 방정식은 장치 전체의 운송을 기술하기 위해 사용됩니다.다음으로 모빌리티 [93]엣지에서 밴드갭으로 감소하는 트랩스테이트의 지수적인 테일이 도입됩니다.이러한 트랩 상태에서의 캡처/이탈을 설명하기 위해 쇼클리-읽기-홀(SRH)을 사용할 수 있습니다.Shockley-Read-Hall 메커니즘은 시간 영역과 정상 [93]상태 모두에서 폴리머:fulerene 디바이스 동작을 재현할 수 있는 것으로 나타났습니다.

현재의 과제와 최근의 진전

유기 광전지의 어려움은 내부 양자 효율이 양호함에도 불구하고 무기 광전 소자에 비해 낮은 외부 양자 효율(최대 70%)[94]을 들 수 있다. 이는 약 100나노미터의 활성층과의 흡수가 불충분하기 때문이다.산화 및 환원, 재결정 및 온도 변화에 대한 불안정성도 시간이 지남에 따라 장치의 성능 저하를 초래할 수 있습니다.이는 구성이 다른 디바이스의 다양한 범위에서 발생하며 활발한 연구가 [95]이루어지고 있는 영역입니다.

기타 중요한 요인으로는 불순물의 존재에 의해 영향을 받는 들뜸 확산 길이, 전하 분리 및 전하 수집이 있습니다.

충전 캐리어의 이동성과 전송

특히 벌크 헤테로 접합 태양 전지의 경우, 전하 운반체 운송을 이해하는 것이 유기 광전지의 효율성을 개선하는 데 필수적이다.현재 벌크 헤테로 접합 소자는 전하 반송파 이동성이 불균형하고 홀 이동성이 전자 이동성보다 적어도 크기가 작기 때문에 공간 전하 축적과 장치의 [96]충전률 및 전력 변환 효율이 저하된다.이동성이 낮기 때문에 효율적인 벌크 헤테로 접합 광전지는 전하 캐리어의 재결합을 방지하기 위해 얇은 활성층으로 설계되어야 하며, 이는 처리의 흡수 및 확장성을 저해합니다.시뮬레이션 결과 충진율이 0.8 이상이고 외부 양자 효율이 90% 이상인 벌크 헤테로 접합 태양전지를 보유하기 위해서는 공간 전하 효과를 줄이기 위한 균형 잡힌 전하 운반체 이동성이 필요하며, 전하 운반체 이동성의 증가 및/또는 쌍분자 재결합 속도의 감소가 필요하다.일정하지 [97]않다

필름 형태학의 효과

그림 8: 고도로 접힌 헤테로 접합(a); 성장이 제어된 헤테로 접합(b)

위와 같이 도너 수용체 유기물질의 분산 헤테로 접합은 평면 헤테로 접합에 비해 양자 효율이 높으며 분산 헤테로 접합에서는 확산 길이 내에서 엑시톤이 계면을 찾을 가능성이 높기 때문이다.필름 형태학은 또한 장치의 양자 효율에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.표면이 거칠고 공극이 있으면 직렬 저항이 증가하고 단락될 가능성도 높아집니다.두께가 1000Ω 이하인 금속음극으로 피복한 후 소자를 아닐함으로써 필름형태학 및 그 결과 양자효율을 향상시킬 수 있다.유기막 위에 있는 금속막은 유기막에 스트레스를 가하여 유기막의 형태학적 이완을 방지한다.이를 통해 보다 조밀하게 채워진 필름을 제공하는 동시에 유기 박막의 대부분 내부에 [98]상분리된 도너-수용체 인터페이스를 형성할 수 있습니다.

제어된 성장 헤테로 접합

전하 분리는 도너와 수용기 인터페이스에서 이루어집니다.전극으로 이동하는 동안 전하가 포착 및/또는 무질서한 투과성 유기물질에 재결합되어 디바이스 효율이 저하될 수 있다.헤테로 접합의 제어된 성장은 도너-수용체 재료의 위치를 더 잘 제어하므로 평면적이고 방향성이 매우 흐트러진 헤테로 접합의 경우보다 전력 효율(입력 전력 대비 출력 전력 비율)이 훨씬 높아집니다(그림 8 참조).따라서 구조 및 필름 형태를 보다 잘 제어하기 위해 적절한 처리 매개변수를 선택하는 것이 매우 [32]바람직하다.

성장 기술의 진보

광기전 응용용 유기막은 대부분 스핀 코팅 및 기상 증착에 의해 퇴적된다.그러나 각 방법에는 일정한 드로우백이 있으며 스핀 코팅 기술은 더 큰 표면적을 고속으로 코팅할 수 있지만 한 층에 용제를 사용하면 기존 폴리머 층을 열화할 수 있습니다.또 다른 문제는 스핀코팅으로 인해 기판 전체가 단일 재료로 코팅되기 때문에 디바이스용 기판의 패턴화와 관련이 있다.

진공 열증발

그림 9: 진공 열증발(a) 및 유기상증착(b)

또 다른 증착 기술은 진공에서 유기물을 가열하는 진공 열 증발(VTE)입니다.기판은 그림 9(a)와 같이 증발된 물질이 기판 위에 직접 퇴적될 수 있도록 소스로부터 몇 센티미터 떨어진 곳에 배치됩니다.이 방법은 여러 층 간의 화학적 상호작용 없이 여러 층의 다른 재료를 퇴적하는 데 유용합니다.단, 때로는 넓은 면적의 기판에 대한 필름 두께 균일성 및 도핑 균일성에 문제가 있습니다.또한 챔버 벽면에 퇴적된 물질은 이후의 퇴적물을 오염시킬 수 있습니다.이 "시선" 기술은 또한 음영 처리로 인해 필름에 구멍이 생길 수 있으며, 이로 인해 장치 직렬 저항 [99]및 단락이 증가합니다.

유기 기상 증착

그림 9(b)와 같이 유기 기상 증착(OVPD)은 진공 열 증발보다 필름의 구조와 형태를 더 잘 제어할 수 있게 해준다.이 공정은 불활성 캐리어 가스가 존재하는 상태에서 기판 위의 유기 물질을 증발시키는 것을 포함합니다.결과적으로 발생하는 필름 형태학은 가스 유속과 소스 온도를 변경하여 조정할 수 있습니다.균일한 막은 캐리어 가스 압력을 감소시킴으로써 성장시킬 수 있으며, 이는 가스의 속도와 평균 자유로를 증가시키고 그 결과 경계층의 두께를 감소시킵니다.OVPD에 의해 생성된 세포는 벽이 따뜻하고 분자가 달라붙어 막이 생성되지 않기 때문에 챔버 벽에서 나오는 플레이크에 의한 오염과 관련된 문제가 없습니다.

VTE에 대한 또 다른 장점은 증발 속도가 균일하다는 것입니다.이는 캐리어 가스가 소스로부터 나오는 유기물질의 증기로 포화되어 냉각된 기판 쪽으로 이동하기 때문에 발생합니다(그림 9(b)).성장 파라미터(소스 온도, 베이스 압력 및 캐리어 가스의 플럭스)에 따라 퇴적막은 결정성 또는 비정질일 수 있습니다.OVPD를 사용하여 제조된 디바이스는 VTE를 사용하여 제조된 디바이스보다 높은 단락 전류 밀도를 나타냅니다.세포 상단에 있는 기증자-수용체 헤테로 접합의 추가 층은 전자의 전도를 허용하면서 들뜸을 차단할 수 있으므로 세포 효율이 [99]향상됩니다.

유기 태양 잉크

유기태양광 잉크는 형광조명 조건에서도 비정질 실리콘 태양전지에 비해 높은 성능을 발휘하며, [100]표준 유기태양광 기술에 비해 실내 전력 밀도가 30~40% 향상되는 것으로 알려져 있다.

라이트 트래핑

얇은 유기 태양전지에서 [101]광포집(Light In-Coupling) 효과를 높이기 위해 다양한 종류의 성분이 적용되었습니다.유기태양전지의 유연성과 더불어 ITO와 유리가 아닌 플렉시블[102][103] 전극과 기판을[104] 사용함으로써 완전 플렉시블 유기태양전지를 제조할 수 있다.유연한 기질과 기질의 이러한 활용까지 쉽게 방법 OPVs에 빛을 속이고 효과를 내는에 포함된 산란 particles,[105]과 폴리머 전극과 같은 nano고 심지어 광학 디스플레이 영화 s로 액정 표시 장치(LCD)에 상용화 중합체 electrodes,[106]무늬가 있는 PETsubstrates[107][108]는 각인을 남겨 소개한다.ubstrates.[109]OPV의 성능을 향상시키기 위해 광포집 구조 가공이 용이하다는 장점이 있어 많은 연구가 필요할 것이다.

광전 병용

하이브리드 탠덤 태양전지 스택의 톱셀로서 유기 태양전지를 활용하는 것에 관한 최근의 연구 및 연구가 행해지고 있다.유기태양전지는 실리콘이나 CIGS와 같은 기존 무기광전지에 비해 밴드갭이 크기 때문에 열화로 인한 에너지 손실 없이 높은 에너지 광자를 흡수할 수 있어 더 높은 전압으로 작동한다.흡수되지 않은 낮은 에너지 광자와 높은 에너지 광자는 맨 위 유기 태양 전지를 통과하고 맨 아래 무기 전지에 흡수됩니다.유기 태양 전지는 또한 평방미터 당 10달러의 저렴한 비용으로 저온에서 처리될 수 있으며, 기존의 무기 태양 전지 [110]기술의 전반적인 효율성을 향상시키는 인쇄 가능한 상단 셀을 만들어 냅니다.이러한 하이브리드 탠덤 태양전지 스택의 형성을 가능하게 하기 위해 많은 연구가 이루어졌으며, 여기에는 높은 투명도를 가지면서도 [111]낮은 접촉 저항을 유지하는 반투명 전극의 증착 연구가 포함된다.

기계적 거동

유기반도체의 기계적 특성, 특히 유기태양전지 소자 작동의 광범위한 고장 메커니즘은 다양한 응용분야에서 유기태양전지의 작동 안정성을 결정하는 데 매우 중요하다.유기 태양 전지의 기계적 특성은 물질에 존재하는 분자간 힘과 표면력에 기인할 수 있다.이러한 특성은 분자 구조의 영향을 받을 뿐만 아니라 가공 조건에 상당히 민감하기 때문에 장력률, 연성, 파괴 인성과 같은 폴리머 박막의 변형률에 대한 연구가 [112]상당히 어렵습니다.이러한 이유로 장치의 기계적 안정성을 예측할 "장해 수치"를 정량화하는 것은 중요하지 않으며 변형된 장치의 견고성은 많은 요인에 따라 달라진다.

대부분의 경우 기판은 디바이스를 지원하며 기판의 기계적 고장으로 인해 디바이스의 전력 변환 효율이 저하됩니다.따라서 기판이 유기활성층에 기계적 지지를 제공하는 것이 필요하지만, 기판의 인장강도를 증가시키는 것이 저균주에서의 필름 파쇄의 대가를 치르지 않도록 주의해야 한다.일반적으로 활성층은 기판과 함께 변형되는 것이 바람직하다.이것은 낮은 탄성률 및 높은 탄성 한계로 가능합니다.박막의 연성은 일반적으로 필름에 균열이 나타나는 변형률로 측정됩니다.단, 균열개시 변형은 필름과 기판 사이의 응집/접착 정도와 같은 다른 요인에도 의존합니다.다양한 연구에서 응집력 또는 접착력 파괴 에너지c G가 분자 파라미터 및 처리조건에 [113][114]대한 개별 폴리머 계면을 파괴하는 데 필요한 작업으로 정의되었습니다.응집력과 함께 형성 후 균열 전파의 궤적은 균열이 전파하는 물질의 기계적 특성에 따라 달라진다.P3와 같은 중합체소성이 좋은 HT는 디바이스 평면에 수직인 인장스트레인 적용 시 균열 선단에 소성존이 형성되어 필름 내 결정영역 또는 강성기판에 의해 구속될 때까지 팽창하여 변형에너지를 소멸시키고 계면 [115]간 응집력을 감소시킨다.기계적 좌굴 기술은 또한 다양한 유기 박막의 탄성 모듈리를 성공적으로 결정하는 것으로 입증되었습니다.이 방법은 압축 변형률 하에서 필름에 주름이 생기는 좌굴 불안정성에 기초하고 있습니다.주름 패턴의 파장은 필름 두께 및 [116]기판의 탄성 계수 측면에서 필름의 인장 계수와 관련이 있을 수 있습니다.

벌크 헤테로 접합 재료 연구의 최근 방향

현재 연구의 한 가지 주요 분야는 비-플루렌 수용체 사용이다.플라렌 수용체는 벌크 헤테로 접합 셀 설계 내에서의 호환성과 우수한 수송 특성 때문에 대부분의 유기 광전지의 표준이 되어 왔지만, 연구자들이 대안을 [117]찾도록 하는 몇 가지 단점이 있다.플라렌 수용체의 부정적인 점으로는 불안정성, 에너지 조절성이 다소 제한되고 광학 [117]흡수가 잘 되지 않는다는 점이 있습니다.연구자들은 에너지 조절성이 좋기 때문에 높은 개방 [117]전압을 나타낼 수 있는 작은 분자 수용체를 개발했다.과학자들은 폴리머 공여체(D18)와 작은 분자 수용체(Y6)를 결합하여 18%[118] 이상의 높은 효율성을 제공하는 유기 태양 전지를 실험실에서 제작했습니다.그러나, 작은 분자 수용체의 저전하 캐리어 이동성을 포함한 비-플루렌 수용체에는 여전히 큰 과제가 있으며, 가능한 분자의 수가 연구 [117]커뮤니티에 압도적이다.

작은 분자도 고분자 공여체를 대체할 수 있는 공여 물질로 많이 연구되고 있다.작은 분자는 폴리머가 하는 방법처럼 분자량이 다양하지 않기 때문에, 그들은 정제 단계를 덜 필요로 할 것이고 재결합을 [119]유도하는 트랩 상태를 만들 수 있는 고분자 결함과 꼬임에 덜 민감할 것이다.최근 연구에 따르면 고성능 소분자 기증자 구조는 평면 2-D 구조를 가지며 집합 또는 [119]자가 조립이 가능한 것으로 나타났다.이들 소자의 사인 성능은 활성층 형태에 크게 의존하고 있어 소자 가능성을 조사하고 다양한 소재의 [119]아닐링 등의 공정을 통해 소자 형태를 최적화하기 위한 연구가 계속되고 있다.

기타 3세대 태양전지

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외부 링크

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