용매에 따른 비풀러렌 고분자 태양전지의 성능 차이 분석 연구

Abstract

투명하고 유연하다는 장점을 가진 유기태양전지는 미래 모바일 전자기기의 에너지원으로 높은 관심을 받고 있다. 하지만, 태양전지 자체의 낮은 효율 및 안정성은 상용화를 위해 반드시 해결해야 할 과제로 남아있다. 향상된 성능의 유기태양전지를 구현하기 위해서는 최적화된 광활성층 모폴로지를 유도할 수 있는 적절한 용매를 사용하는 것도 매우 중요하다. 유기태양전지 광활성층 제작을 위해 사용되는 대표적인 용매로 Chloroform (CF)과 Chlorobenzene (CB)이 있다. CF의 경우 용해성 자체는 뛰어나지만 상온에서 휘발성이 강하여 균일한 모폴로지의 광활성층 박막을 얻기 위해서는 스핀-코팅시 숙련된 기술과 세심한 주의가 필요하다. 이와 달리 CB의 경우 상온에서 휘발성이 낮아 다양한 박막 성형 공정을 비교적 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있으나 용해도는 CF에 비해 낮다는 특징을 가지고 있다. 일반적으로, fullerene 기반 태양전지에서는 두 용매 간 성능 차이가 관찰되지 않는다. 하지만, non-fullerene 기반 태양전지의 경우 두 용매간 현저한 성능차이를 보여주고 있으며, 일반적으로 CB를 이용한 non-fullerene 태양전지에서 다소 큰 성능 저하가 관찰되고 있다. 본 연구에서는 non-fullerene 기반 태양전지인 PBDB-T-2F (PM6) : BTP-4F (Y6)에서 CB, CF 두 용매간 성능 차이를 확인하고 그 원인을 분석해 보았다. CF를 이용한 PM6:Y6 태양전지의 경우 는 25.6 mA/cm2, 는 0.876, FF는 71.6%를 가지며 효율은 16.1%를 보여주었다. 반면에, CB의 경우 는 24.3 mA/cm2, 는 0.846, FF는 70.5%로 효율은 14.5%로 관찰되었다. 유효전압에 따른 광전류밀도 분석 결과 CB와 CF 사이 엑시톤 생성률과 분리율이 각각 8.7 %, 2.2 % 차이가 나는 것으로 관찰되었다. 또한, 임피던스 측정을 통한 전하의 이동 및 재결합 특성 조사에서는 전하 이동에 걸리는 시간은 CF와 CB 각각 3.56 μs, 7.40 μs, 재결합에 걸리는 시간은 24.8 μs, 27.1 μs임이 확인되었다. 주파수에 따른 커패시턴스를 측정을 통해 확인한 shallow 트랩 분포는 CB 소자에서 더 많았고, Urbach 에너지는 CB로 제작한 소자에서 0.107 meV로 0.0305 meV인 CF 소자보다 높은 것을 확인했으며, 빛의 세기에 따른 , 측정을 통해 트랩에 의한 recombination이 CB로 제작한 소자에서 더 활발하게 일어남을 확인하였다. FTPS-EQE와 EL을 측정해 에너지 손실을 분석한 결과, CB 소자에서 non-radiative recombination에 의한 전압 손실이 CF 소자에 비해 크다는 것이 확인되었다. 일반적으로 용매에 따른 태양전지 성능의 차이는 광활성층의 모폴로지 변화에 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 실제 AFM 측정을 통한 거시적 모폴로지 분석에서는 뚜렷한 차이가 관찰되지 않았으나, GIWAXS를 통한 미시적 모폴로지 분석에서는 CB로 제작한 소자의 Y6 분자와 CF로 제작한 소자의 Y6 분자 사이에 분자 배향의 차이를 보임이 확인되었다. 따라서, CB와 CF 용매에 따른 소자의 성능차이는 Y6의 모폴로지가 In-plane의 (0 2 0)과 (1 1 –1) 결정면에서 형성된 구조적인 차이를 보임에 따른 것으로 분석되며, 엑시톤 생성률과 분리율의 차이 및 전하재결합 차이, 전압 손실 역시 이러한 Y6의 모폴로지 차이에 따른 것으로 판단되었다.