유기 태양 전지

그림 1. 플라스틱 태양 전지의 개략도. PET – 폴리에틸렌 테레프탈레이트, ITO – [[인듐 주석 산화물, PEDOT:PSS – 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜), 활성 층 (일반적으로 중합체:풀러렌 혼합물), Al – 알루미늄.]] **유기 태양 전지**(Organic solar cell, **OSC**url-access=subscription) 또는 **플라스틱 태양 전지**(plastic solar cell)는 전도성 유기 중합체 또는 작은 유기 분자를 다루는 전자 공학의 한 분야인 유기 전자공학을 사용하여 빛 흡수 및 전하 수송을 통해 광전 효과로 햇빛으로부터 전기를 생산하는 태양광 발전의 한 유형이다. 대부분의 유기 태양광 발전 전지는 **고분자 태양 전지**(polymer solar cells)이다. 그림 2. Solarmer사에서 제조한 유기 태양광 발전기 유기 태양 전지에 사용되는 분자들은 높은 처리량으로 용액 처리 가능하고 저렴하여 대량 생산 비용이 낮다.doi-access = free 유기 분자의 유연성과 결합하여 유기 태양 전지는 태양광 발전 응용 분야에서 잠재적으로 비용 효율적이다.access-date=26 March 2021 분자 공학(예: 중합체의 길이 및 작용기 변경)은 띠틈을 변경하여 전자적 튜닝 가능성을 제공한다. 유기 분자의 광 흡수 계수가 높아 적은 양의 재료, 일반적으로 수백 나노미터 규모로 많은 양의 빛을 흡수할 수 있다. 유기 태양광 발전 전지와 관련된 주요 단점은 규소 태양 전지와 같은 무기 태양광 발전 전지에 비해 낮은 에너지 효율, 낮은 안정성 및 낮은 강도이다. 규소 기반 장치와 비교해서 고분자 태양 전지는 가볍고 (작은 자율 센서에 중요하며) 잠재적으로 일회용이며 (때때로 인쇄전자를 사용) 제조 비용이 저렴한데다가 유연하고, 분자 수준에서 맞춤화할 수 있으며, 잠재적으로 환경에 미치는 악영향이 적다. 고분자 태양 전지는 또한 투명성을 나타낼 가능성이 있어 창문, 벽, 유연한 전자 제품 등에 응용될 수 있다. 그림 1에 장치의 예가 나와 있다. 고분자 태양 전지의 단점 또한 심각하다. 고분자 태양 전지는 단단한 재료의 효율의 약 1/3을 제공하며 상당한 광화학적 분해를 겪는다.isbn=3527306730 고분자 태양 전지의 안정성 문제,bibcode=2008SEMSC..92..686J 저렴한 비용이라는 장점bibcode=2012SEMSC.100...97P 및 효율 증가 가능성s2cid=13842344 덕분에 고분자 태양 전지는 태양 전지 연구에서 인기 있는 분야가 되었다. 2015년에는 탠덤 구조를 통해 고분자 태양 전지가 10% 이상의 효율을 달성했다.bibcode = 2013NatCo...4.1446Y 2023년에는 홍콩 이공대학에서 19.3%의 새로운 기록적인 효율을 달성했다.access-date=7 June 2023 3
# 물리학
그림 3: 유기 태양광 발전 재료의 예 태양광 발전 전지는 빛을 직류 (DC) 전기로 변환하는 특수 반도체 다이오드이다. 빛 흡수 재료의 띠틈에 따라 태양광 발전 전지는 저에너지 적외선 (IR) 또는 고에너지 자외선 (UV) 광자를 DC 전기로 변환할 수도 있다. 태양광 발전에서 빛 흡수 재료로 사용되는 작은 분자와 중합체 (그림 3)의 공통적인 특징은 모두 큰 공액계를 가지고 있다는 것이다. 공액계는 탄소 원자가 단일 결합과 이중 결합을 번갈아 가며 공유 결합할 때 형성된다. 이러한 탄화수소의 전자는 pz 궤도가 비편재화되어 비편재화된 결합 π 궤도를 π* 반결합 궤도와 함께 형성한다. 비편재화된 π 궤도는 최고 점유 분자 궤도(HOMO)이고, π* 궤도는 최저 비점유 분자 궤도(LUMO)이다. 유기 반도체 물리학에서 HOMO는 원자가띠의 역할을 하고 LUMO는 전도대의 역할을 한다. HOMO와 LUMO 에너지 준위 사이의 에너지 분리는 유기 전자 재료의 띠틈으로 간주되며 일반적으로 1~4 전자볼트 (eV) 범위에 있다. 재료의 띠틈보다 큰 에너지를 가진 모든 빛은 흡수될 수 있지만, 띠틈보다 높은 에너지를 가진 광자가 흡수될 경우 초과 에너지를 열로 방출하여 전압 및 전력 변환 효율이 낮아지는 절충점이 존재한다. 이러한 재료들이 광자를 흡수하면 들뜬 상태가 생성되어 분자 또는 중합체 사슬의 한 영역에 갇힌다. 들뜬 상태는 엑시톤, 즉 정전기적 상호작용에 의해 결합된 전자-정공 쌍으로 간주될 수 있다. 태양광 발전 전지에서는 효과적인 장에 의해 엑시톤이 자유 전자-정공 쌍으로 분리된다. 효과적인 장은 서로 다른 두 재료 사이에 이종접합을 생성함으로써 설정된다. 유기 태양광 발전에서는 효과적인 장이 엑시톤을 분리하여 전자가 흡수체 전도띠에서 수용체 분자의 전도띠로 떨어지게 한다. 수용체 재료의 전도띠 끝이 흡수체 재료보다 낮아야 한다. {| border="0" cellspacing="5" cellpadding="10" |- | {| border="0" |- | | | |- | colspan=4 | |- | | | |- | colspan=4 | |} 그림 4: 풀러렌 분자로 둘러싸인 확산하는 폴라론을 가진 고분자 사슬 |} 고분자 태양 전지는 일반적으로 인듐 주석 산화물 (ITO) 전도성 유리 위에 전자 또는 정공 차단층, 그 다음 전자 공여체와 전자 수용체 (벌크 이종접합 태양 전지의 경우), 정공 또는 전자 차단층, 그리고 맨 위에 금속 전극으로 구성된다. 차단층의 특성 및 순서 – 뿐만 아니라 금속 전극의 특성 – 는 전지가 일반 또는 역방향 장치 구조를 따르는지에 따라 달라진다. 역방향 전지에서는 양극과 음극이 반대로 되기 때문에 전하가 일반 장치와 반대 방향으로 장치를 빠져나간다. 역방향 전지는 더 적합한 재료로 된 음극을 활용할 수 있다. 역방향 OPV는 일반 구조 OPV보다 수명이 길고, 일반적으로 기존의 대응 장치보다 높은 효율을 보인다.access-date=18 February 2015 벌크 이종접합 고분자 태양 전지에서, 빛은 엑시톤을 생성한다. 그 후 장치의 활성층 내에서 전자 공여체와 수용체 혼합물 사이의 계면에서 전하 분리가 일어난다. 이 전하들은 장치의 전극으로 이동하여 전하가 전지 외부로 흐르고, 일을 수행한 다음 반대쪽에서 장치로 다시 들어간다. 전지의 효율은 여러 요인, 특히 비쌍생 재결합에 의해 제한된다. 정공 이동도는 활성층을 가로지르는 더 빠른 전도를 유도한다.doi-access=frees2cid=25748928 유기 태양광 발전은 반도체 PN 접합 대신 전자 공여체 및 전자 수용체 재료로 만들어진다. 유기 PV 전지의 전자 공여체 영역을 형성하는 분자는 일반적으로 탄소 p 궤도 혼성화를 통해 비편재화된 π 전자를 갖는 공액 중합체이다. 이 π 전자는 가시 스펙트럼의 일부 또는 그 근처의 빛에 의해 분자의 최고 점유 분자 궤도 (HOMO)에서 최저 비점유 분자 궤도 (LUMO)로 여기될 수 있으며, 이는 π-π* 전이로 표시된다. 이러한 궤도 사이의 에너지 띠틈은 어떤 빛의 파장이 흡광될 수 있는지를 결정한다. 결정성 PV 전지 재료와 달리 띠 구조와 비편재화된 전자를 가진 무기 재료와 달리, 유기 태양광 발전에서 엑시톤은 0.1에서 1.4 전자볼트 (eV) 사이의 에너지로 강하게 결합되어 있다. 이 강한 결합은 유기 분자의 전자 파동 함수가 더 국부화되어 있고, 따라서 정전기적 인력이 전자와 정공을 엑시톤으로 함께 유지할 수 있기 때문에 발생한다. 전자와 정공은 전자의 화학 전위가 감소하는 계면을 제공함으로써 해리될 수 있다. 광자를 흡수하는 재료는 공여체이고, 전자를 얻는 재료는 수용체라고 불린다. 그림 3에서 중합체 사슬은 공여체이고 풀러렌은 수용체이다. 해리된 후에도 전자와 정공은 여전히 "쌍생 쌍"으로 결합될 수 있으며, 이들을 분리하려면 전기장이 필요하다. 전자와 정공은 접점에서 수집되어야 한다. 전하 운반자 이동도가 불충분하면 운반자는 접점에 도달하지 못하고, 대신 트랩 사이트에서 재결합하거나 새로운 운반자의 흐름을 방해하는 바람직하지 않은 공간 전하로 장치에 남아 있게 된다. 후자의 문제는 전자 및 정공 이동도가 일치하지 않을 때 발생할 수 있다. 이 경우 공간 전하 제한 광전류(SCLP)는 장치 성능을 저해한다. 유기 태양광 발전은 활성 고분자와 풀러렌 기반 전자 수용체로 제작될 수 있다. 이 시스템에 가시광선을 비추면 고분자에서 풀러렌 분자로 전자가 이동한다. 결과적으로 광유도 준입자, 즉 폴라론(P+)이 고분자 사슬에 형성되고 풀러렌은 라디칼 음이온(p=−)이 된다. 폴라론은 이동성이 매우 높아 확산될 수 있다.
# 접합 유형
유기 태양 전지에서 접합은 장치 구조 내의 서로 다른 층이나 재료 사이의 계면을 말한다. 이 계면들은 햇빛이 흡수될 때 생성되는 전하 운반자(전자와 정공)의 분리 및 수집에 기여한다. 이 접합들의 특성과 구조는 유기 태양 전지의 효율, 안정성 및 전반적인 성능에 영향을 미친다. 가장 단순한 유기 PV 장치는 평면 이종접합 (그림 1)을 특징으로 한다. 전자 공여체 또는 전자 수용체 유형의 유기 활성 재료 (중합체 또는 작은 분자) 필름이 접점 사이에 샌드위치되어 있다. 활성 재료에서 생성된 엑시톤은 재결합하기 전에 확산될 수 있으며, 정공과 전자는 각각의 수집 전극으로 확산된다. 전하 운반자의 확산 길이가 일반적인 비정질 유기 반도체에서 단지 3~10 나노미터에 불과하므로, 평면 전지는 얇아야 하지만 얇은 전지는 빛을 덜 잘 흡수한다. 벌크 이종접합 (BHJ)은 이러한 단점을 해결한다. BHJ에서 전자 공여체 및 수용체 재료의 혼합물이 혼합물로 주조된 다음 상 분리된다. 장치 내 각 재료의 영역은 단지 몇 나노미터로 분리되어 있어 운반자 확산에 적합한 거리이다. BHJ는 나노 스케일에서 재료 형태에 대한 민감한 제어를 필요로 한다. 중요한 변수는 재료, 용매 및 공여체-수용체 중량비이다. BHJ를 넘어선 다음 논리적인 단계는 태양 전지용 정렬된 나노재료, 또는 정렬된 이종접합(OHJ)이다. OHJ는 BHJ와 관련된 가변성을 최소화한다. OHJ는 일반적으로 정렬된 무기 재료와 유기 활성 영역의 하이브리드이다. 예를 들어, 태양광 중합체는 TiO2와 같은 세라믹의 기공에 증착될 수 있다. 정공은 여전히 중합체를 통해 기공의 길이만큼 확산하여 접점에 도달해야 하므로, OHJ는 유사한 두께 제한을 겪는다. 정공 이동도 병목 현상을 완화하는 것이 OHJ의 장치 성능을 더욱 향상시키는 데 핵심이다.
## 단층
그림 5: 단층 유기 태양광 발전 전지의 개략도 단층 유기 태양광 전지는 가장 단순한 형태이다. 이 전지는 두 금속 도체 사이에 유기 전자 재료 층을 끼워 넣어 만드는데, 일반적으로 높은 일함수를 가진 인듐 주석 산화물 (ITO) 층과 알루미늄, 마그네슘 또는 칼슘과 같은 낮은 일함수 금속 층이다. 이러한 전지의 기본 구조는 그림 5에 나와 있다. 두 도체 사이의 일함수 차이는 유기층에 전기장을 형성한다. 유기층이 빛을 흡수하면 전자는 LUMO로 여기되고 HOMO에 정공을 남겨 엑시톤을 형성한다. 서로 다른 일함수로 생성된 전위는 엑시톤 쌍을 분리하는 데 도움을 주어 전자는 양극 전극 (회로의 비금속 부분과 접촉하는 데 사용되는 전기 도체)으로, 정공은 음극으로 이동시킨다.
### 예시
1958년에 마그네슘 프탈로시아닌 (MgPc) — 질소 원자와 탄소 원자가 교대로 고리 구조를 이루는 대환식 화합물 — 에 기반한 전지의 광전 효과 또는 전압 생성이 200밀리볼트의 광전압을 가졌다. Al/MgPc/Ag 전지는 690nm 조명에서 0.01%의 태양광 발전 효율을 얻었다. 공액 고분자 또한 이 유형의 태양광 전지에 사용되었다. 한 장치는 유기층으로 폴리아세틸렌(그림 1)을 사용했으며, Al과 흑연을 사용하여 0.3V의 개방 회로 전압과 0.3%의 전하 수집 효율을 생성했다. Al/폴리(3-메틸싸이오펜)/Pt 전지는 0.17%의 외부 양자 효율, 0.4V의 개방 회로 전압 및 0.3의 충진율을 가졌다. ITO/PPV/Al 전지는 백색광 조명 하에서 1V의 개방 회로 전압과 0.1%의 전력 변환 효율을 보였다.
### 문제점
단층 유기 태양 전지는 잘 작동하지 않는다. 양자 효율이 낮고 (90%|journal = Advanced Energy Materials|date = 2015-08-01|volume = 5|issue = 15|pages = 1500577|doi = 10.1002/aenm.201500577|first1 = Jonathan A.|last1 = Bartelt|first2 = David|last2 = Lam|first3 = Timothy M.|last3 = Burke|first4 = Sean M.|last4 = Sweetnam|author5-link=Michael D. McGehee|first5 = Michael D.|last5 = McGehee| bibcode=2015AdEnM...500577B | s2cid=14735539
## 필름 형태의 영향
그림 8: 고도로 접힌 이종접합 (a); 제어된 성장을 가진 이종접합 (b) 위에서 설명한 바와 같이, 공여체-수용체 유기 재료의 분산형 이종접합은 평면 이종접합에 비해 높은 양자 효율을 갖는데, 이는 분산형 이종접합에서 엑시톤이 확산 길이 내에서 계면을 찾을 가능성이 더 높기 때문이다. 필름 형태 또한 장치의 양자 효율에 극적인 영향을 미칠 수 있다. 거친 표면과 공극의 존재는 직렬 저항을 증가시키고 단락 회로 가능성도 높일 수 있다. 필름 형태와 그 결과로 인한 양자 효율은 약 1000 Å 두께의 금속 음극으로 장치를 덮은 후 어닐링함으로써 개선될 수 있다. 유기 필름 위에 있는 금속 필름은 유기 필름에 응력을 가하여 유기 필름의 형태적 이완을 방지하는 데 도움이 된다. 이는 더 밀집된 필름을 제공하고 동시에 유기 박막의 벌크 내에서 상 분리된 상호 침투 공여체-수용체 계면 형성을 허용한다. 이러한 발전을 바탕으로, 국립재생에너지연구소(NREL)는 벌크 이종접합 층에서 형태학적 제어를 정교화하는 롤투롤 공정 기술을 개발해 왔다. 공여체-수용체 물질 간의 상 분리를 정밀하게 조절함으로써, 이 기술은 보다 효율적인 전하 추출 및 수송을 가능하게 하여 궁극적으로 전체 장치 성능을 향상시킨다. 또한, 증착 조건과 용매 공정을 최적화함으로써, NREL의 접근 방식은 전하 재결합에 기여하는 형태학적 결함을 최소화하여 유기 태양 전지 생산의 효율성과 환경 지속 가능성을 모두 향상시키고자 한다.National Renewable Energy Laboratory (NREL). (2022). "Roll-to-roll processing for large-area organic photovoltaics." *Renewable Energy Reports*. Retrieved from
## 제어된 성장 이종접합
전하 분리는 공여체-수용체 계면에서 일어난다. 전극으로 이동하는 동안 전하는 무질서한 상호 침투 유기 재료에 갇히거나 재결합할 수 있으며, 이는 장치 효율 저하로 이어진다. 이종접합의 제어된 성장은 공여체-수용체 재료의 위치에 대한 더 나은 제어를 제공하여 평면 및 고도로 무질서한 이종접합(그림 8 참조)보다 훨씬 더 큰 전력 효율(출력 전력 대 입력 전력 비율)을 가져온다. 따라서 구조와 필름 형태를 더 잘 제어하기 위한 적절한 공정 매개변수 선택이 매우 바람직하다.
## 빛 가둠
얇은 유기 태양 전지에서 빛 가둠(광 결합) 효과를 높이기 위해 다양한 종류의 부품이 적용된다.issn=2366-9608 유기 태양 전지의 유연성에 더하여, 유연한 전극issn=1616-3028url=https://zenodo.org/record/889852 및 기판bibcode=2012NatCo...3..770K을 ITO와 유리 대신 사용함으로써 완전 유연 유기 태양 전지를 생산할 수 있다. 이러한 유연한 기판과 기판을 사용함으로써 산란 입자가 내장된 중합체 전극과 같은 OPV에 빛 가둠 효과를 제공하는 더 쉬운 방법이 도입된다.doi-access=free 나노 각인 중합체 전극,s2cid=138521932 패턴화된 PET 기판doi-access=freeissn=1521-4095 및 심지어 액정 디스플레이(LCD)용으로 상업화된 광학 디스플레이 필름doi-access=free도 기판으로 사용된다. 쉬운 빛 가둠 구조 처리를 통해 OPV 성능을 향상시키기 위한 많은 연구가 진행될 것이다.
## 탠덤 태양광 발전에 사용
최근 연구 및 조사는 유기 태양 전지를 하이브리드 탠덤 태양 전지 스택의 상부 전지로 활용하는 데 중점을 두었다. 유기 태양 전지는 규소 또는 셀레늄화구리인듐갈륨과 같은 기존의 무기 태양광 발전보다 밴드갭이 높기 때문에 열화로 인한 에너지 손실 없이 고에너지 광자를 흡수할 수 있어 더 높은 전압에서 작동한다. 흡수되지 않은 저에너지 및 고에너지 광자는 상부 유기 태양 전지를 통과하여 하부 무기 전지에 흡수된다. 유기 태양 전지는 또한 제곱미터당 10달러의 저렴한 비용으로 저온에서 용액 처리 가능하여 기존의 무기 태양 전지 기술의 전체 효율을 향상시키는 인쇄 가능한 상부 전지를 제공한다.bibcode=2012EnEnS...5.9173B 낮은 접촉 저항을 유지하면서 높은 투명도를 갖는 반투명 전극 증착 연구를 포함하여 이러한 하이브리드 탠덤 태양 전지 스택 형성을 가능하게 하는 많은 연구가 수행되었다.s2cid=8781905
## 기계적 거동
유기 반도체의 기계적 특성, 특히 작동 중인 유기 태양 전지 장치의 다양한 파괴 메커니즘을 이해하는 것은 다양한 응용 분야에서 유기 태양 전지의 작동 안정성을 결정하는 데 중요하다. 유기 태양 전지의 기계적 특성은 재료에 존재하는 분자간 및 표면 힘에 기인할 수 있다. 이러한 특성은 분자 구조에만 영향을 받는 것이 아니라 공정 조건에 매우 민감하여, 인장 계수, 연성 및 파괴 인성와 같은 고분자 박막의 기계적 특성 연구가 매우 어렵다.url-access=subscription 이 때문에 장치의 기계적 안정성을 예측할 "성능 지수"를 정량화하는 것은 사소한 일이 아니며, 변형 하에서 장치의 강건성은 많은 요인에 따라 달라진다. 대부분의 경우 기판은 장치에 지지력을 제공하며, 기판의 기계적 파괴는 장치의 최적 이하의 전력 변환 효율로 이어진다. 따라서 기판이 유기 활성층에 기계적 지지력을 제공하는 것이 필요하지만, 기판의 인장 강도를 높이는 것이 낮은 변형에서 필름의 파괴를 초래하지 않도록 주의해야 한다. 일반적으로 활성층이 기판과 함께 변형되는 것이 바람직하다. 이는 낮은 탄성 계수와 높은 탄성 한계로 가능하다. 박막의 연성은 일반적으로 필름에 균열이 나타나는 변형으로 측정된다. 그러나 균열 발생 변형은 필름과 기판 사이의 응집/접착 정도와 같은 다른 요인에도 의존한다. 다양한 연구에서 응집 또는 접착 파괴 에너지 Gc를, 즉 별개의 고분자 계면을 파괴하는 데 필요한 일로 정의된 것을 분자 매개변수 및 공정 조건과 관련시켰다.url-access=subscriptionurl-access=subscription 응집력과 함께 형성 후 균열 전파의 궤적은 균열이 전파되는 재료의 기계적 특성에 따라 달라진다. P3HT와 같이 좋은 가소성을 나타내는 고분자에서는 장치 평면에 수직인 인장 변형을 가할 때 균열 끝에 소성 영역이 형성되고, 이는 필름의 결정 도메인 또는 단단한 기판에 의해 제한될 때까지 확장되어 변형 에너지를 소산시키고 계면 간의 응집력을 감소시킨다.url-access=subscription 기계적 좌굴 기술 또한 다양한 유기 박막의 탄성 계수를 결정하는 데 매우 성공적임이 입증되었다. 이 방법은 압축 변형 하에서 필름에 주름을 일으키는 좌굴 불안정성에 기반한다. 주름 패턴의 파장은 필름 두께 및 기판의 탄성 계수 측면에서 필름의 인장 계수와 관련될 수 있다.url-access=subscription 유기 태양 전지를 통합하는 장치 설계에서 Gc 및 파괴 시 변형률은 고려해야 할 중요한 두 가지 지표로 확인되었다. 벌크 이종접합(BHJ) 층은 일반적으로 유기 태양 전지에서 가장 약한 층이므로, BHJ 재료를 기계적으로 안정적으로 설계해야 하며, 목표 Gc는 5 J m-2, 목표 파괴 시 변형률은 20-30%이다. 고분자 기반 수용체는 소분자 수용체 및 풀러렌 기반 수용체에 비해 우수한 기계적 특성을 나타내는 것으로 나타났다. 또한, 고분자 기반 수용체의 기계적 특성은 고분자 분자의 수평균 분자량인 Mn에 영향을 받는다. 기계적 특성은 Mn이 Mn이 증가함에 따라 점도 변화율이 증가하는 임계 분자량 Mc를 초과한 후에만 증가한다는 것이 결정되었다. 이 현상은 고분자 수용체와 공여체 간의 사슬 얽힘 및 혼화율이 모두 증가하기 때문에 발생한다. 이러한 특성의 효과는 기계적 스트레스에 반응하여 이러한 재료의 소성 변형이 높다는 것을 의미하며, 이는 더 많은 에너지가 소산되는 반면 기계적 강도가 낮은 재료는 더 쉽게 파괴된다는 것을 의미한다.s2cid=208694659
## 벌크 이종접합 재료 연구의 최근 방향
현재 연구의 주요 분야 중 하나는 비풀러렌 수용체의 사용이다. 풀러렌 수용체는 벌크 이종접합 전지 설계에서의 호환성과 우수한 수송 특성으로 인해 대부분의 유기 태양광 발전에 표준으로 사용되었지만, 연구자들이 대안을 찾으려는 몇 가지 단점이 있다.s2cid=189046590 풀러렌 수용체의 몇 가지 단점으로는 불안정성, 에너지 튜닝 가능성이 다소 제한적이며 광학 흡수가 좋지 않다는 점이 있다. 연구자들은 우수한 에너지 튜닝 가능성으로 인해 높은 개방 회로 전압을 나타낼 수 있는 소분자 수용체를 개발했다. 고분자 공여체(D18)와 소분자 수용체(Y6)를 결합하여 과학자들은 실험실에서 18% 이상의 높은 효율을 내는 유기 태양 전지를 제작했다.bibcode=2020SciBu..65..272L 그러나 비풀러렌 수용체에는 여전히 주요 과제가 남아 있는데, 소분자 수용체의 낮은 전하 운반자 이동도와 가능한 분자의 수가 연구 커뮤니티에 압도적이라는 점이 있다. 비풀러렌 수용체(NFA)를 활용하는 유기 태양 전지 개발에 직면한 과제는 고비점 및 환경 친화적인 용매를 선택하는 것이다. 반면 클로로포름(CF)과 같은 기존 용매는 낮은 비점과 독성을 나타내는 경향이 있다. 이러한 용매는 유기 태양 전지의 추가적인 규모 확대를 위해 필요하지만, 용매 내에서 공여체 및 수용체 물질의 낮은 용해도로 인해 PCE 감소와도 관련이 있다. NFA에 알킬 사슬을 추가하면 용해도는 증가했지만 분자 패킹(π-스택킹)은 감소하여 PCE에 순 영향이 없었다. 게스트 보조제 사용은 용해도와 분자 패킹 모두에 유익한 것으로 밝혀졌다. NFA Y6를 수용체로, PM6를 공여체로, 파라자일렌(PX)을 고융점 및 지속 가능한 용매로 사용하는 올리고(에틸렌 글리콜)(OEG) 측쇄를 가진 BTO라는 게스트 분자를 NFA Y6와 함께 사용하면 PCE가 11%에서 16% 이상으로 증가하여 허용 가능한 수준의 효율로 간주된다.s2cid=240450956 더 깨끗한 유기 태양광 발전 개발에 성공한 또 다른 변형은 비할로겐화 용매를 이용한 기판의 핫 스핀 코팅이다. 핫 스핀 코팅이 작동하는 온도는 수용체-공여체 혼합물의 용액에서 고체로의 진화를 변화시켜, 고온에서 기판 표면에 더 높은 수용체 농도를 유발한다는 것이 밝혀졌다. 이는 고온이 응집 및 침전을 감소시켜 기판이 더 높은 수용체 농도를 유지하도록 촉진했기 때문이다. 한 실험에서 PM6 공여체와 Y6-1O 및 BO-4Cl 수용체, 그리고 o-자일렌 및 톨루엔을 포함한 다양한 비할로겐화 용매의 삼원 혼합물로 구성된 유기 태양 전지는 18% 이상의 PCE 값을 나타냈으며, 이는 현재까지 비할로겐화 용매로 제작된 가장 효율적인 유기 태양광 발전이다. 추가적인 형태학적 분석 결과, 비할로겐화 용매로 제조된 핫 스핀 OPV는 할로겐화 용매로 제조된 OPV와 유사한 형태학적 특성을 나타냈다.s2cid=248242142 소분자 또한 공여체 물질로 활발히 연구되고 있으며, 고분자 공여체를 잠재적으로 대체할 수 있다. 소분자는 고분자와 같이 분자량이 다양하지 않기 때문에 정제 단계가 적고, 재결합으로 이어질 수 있는 트랩 상태를 생성할 수 있는 거대분자 결함 및 꼬임에 덜 취약하다.s2cid=125931498 최근 연구에 따르면 고성능 소분자 공여체 구조는 평면 2D 구조를 가지는 경향이 있으며 응집하거나 자가 조립할 수 있다. 이러한 장치의 성능은 활성층 형태에 크게 의존하므로, 현재 연구는 다양한 재료에 대한 어닐링과 같은 공정을 통해 소분자 가능성을 계속 조사하고 장치 형태를 최적화하고 있다. 이와 함께, 벌크 이종접합 재료의 발전은 효율과 안정성 향상에 기여하고 있다. 미국 에너지부(DOE)는 에너지 손실을 최소화하고 전하 분리를 개선하기 위한 새로운 비풀러렌 수용체(NFA) 연구를 지원해 왔다.U.S. Department of Energy. (2023). "Advancements in bulk heterojunction solar cells: The role of non-fullerene acceptors." *Energy Research Updates*. Retrieved from [https://www.energy.gov/eere/solar/organic-photovoltaics-research(https://www.energy.gov/eere/solar/organic-photovoltaic-solar-cells.html)
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