유기 태양 전지

섬네일|300px|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(, OSC) 또는 플라스틱 태양 전지()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()이다.
섬네일|그림 2. Solarmer사에서 제조한 유기 태양광 발전기
유기 태양 전지에 사용되는 분자들은 높은 처리량으로 용액 처리 가능하고 저렴하여 대량 생산 비용이 낮다. 유기 분자의 유연성과 결합하여 유기 태양 전지는 태양광 발전 응용 분야에서 잠재적으로 비용 효율적이다. 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.

고분자 태양 전지의 안정성 문제, 저렴한 비용이라는 장점 및 효율 증가 가능성 덕분에 고분자 태양 전지는 태양 전지 연구에서 인기 있는 분야가 되었다. 2015년에는 탠덤 구조를 통해 고분자 태양 전지가 10% 이상의 효율을 달성했다. 2023년에는 홍콩 이공대학에서 19.3%의 새로운 기록적인 효율을 달성했다.

 물리학 
220px|섬네일|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.

 그림 4: 풀러렌 분자로 둘러싸인 확산하는 폴라론을 가진 고분자 사슬
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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.

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.

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(C)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 
섬네일|right|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 (<1%) 전력 변환 효율이 낮다 (<0.1%). 주요 문제점은 두 전도성 전극 사이의 차이로 발생하는 전기장이 엑시톤을 분리하기에 충분하지 않다는 것이다. 종종 전자가 전극에 도달하지 못하고 정공과 재결합한다.

 이중층 
섬네일|right|그림 6: 다층 유기 태양광 발전 전지의 개략도.

이중층 전지는 전도성 전극 사이에 두 개의 층을 포함한다 (그림 6). 두 층은 서로 다른 전자 친화도와 이온화 에너지를 가지므로, 두 층 사이의 계면에서 정전기적 힘이 발생한다. 효율적인 전하 분리 및 수집을 위해 빛이 이 작은 전하 영역에서 엑시톤을 생성해야 한다. 재료는 이러한 국부 전기장이 강하게 충분하도록 차이를 크게 만들도록 선택되며, 이는 단층 태양광 전지보다 훨씬 더 효율적으로 엑시톤을 분리한다. 전자 친화도와 이온화 전위가 더 높은 층은 전자 수용체이고, 다른 층은 전자 공여체이다. 이 구조는 또한 평면 공여체-수용체 이종접합이라고도 불린다.

 예시 
C60은 높은 전자 친화도를 가져 좋은 수용체이다. C60/MEH-PPV 이중층 전지는 비교적 높은 충진율 0.48과 단색광 조명 하에서 0.04%의 전력 변환 효율을 보였다. PPV/C60 전지는 9%의 단색광 외부 양자 효율, 1%의 전력 변환 효율, 0.48의 충진율을 나타냈다.

페릴렌 유도체는 높은 전자 친화도와 화학적 안정성을 보인다. 전자 공여체로 구리 프탈로시아닌 (CuPc) 층과 전자 수용체로 페릴렌 테트라카르복실산 유도체를 사용하여, 모의 AM2 조명 하에서 0.65의 높은 충진율과 1%의 전력 변환 효율을 가진 전지를 제작했다. Hall 등은 전자 공여체로 PPV 층 위에 비스(페네틸이미도) 페릴렌 층을 가진 전지를 제작했다. 이 전지는 단색광 조명 하에서 6%의 최대 외부 양자 효율과 1%의 전력 변환 효율, 그리고 최대 0.6의 충진율을 가졌다.

 문제점 
유기 전자 재료의 엑시톤 확산 길이는 일반적으로 약 10 나노미터이다. 대부분의 엑시톤이 층의 계면까지 확산하여 운반자로 분리되려면 층 두께가 확산 길이와 동일한 범위여야 한다. 그러나 중합체 층은 충분한 빛을 흡수하기 위해 일반적으로 최소 100 나노미터의 두께가 필요하다. 이처럼 큰 두께에서는 엑시톤 중 극히 일부만이 이종접합 계면에 도달할 수 있다.

 불연속 이종접합 
세 층 (두 개의 수용체와 한 개의 공여체)으로 구성된 풀러렌이 없는 적층은 8.4%의 변환 효율을 달성했다. 이 구현은 높은 개방 회로 전압과 가시 스펙트럼에서의 흡수, 그리고 높은 단락 회로 전류를 생성했다. 양자 효율은 400nm에서 720nm 파장 사이에서 75% 이상이었고, 개방 회로 전압은 약 1V였다.

 벌크 이종접합 
섬네일|right|그림 7: 분산 접합 태양광 발전 전지의 개략도

벌크 이종접합은 나노 스케일의 공여체 및 수용체 재료 혼합물로 구성된 흡수층을 갖는다. 이 혼합물의 도메인 크기는 나노미터 단위로, 수명이 짧은 엑시톤이 큰 공여체-수용체 계면 영역으로 인해 계면에 도달하여 해리될 수 있도록 한다. 그러나 효율적인 벌크 이종접합은 공여체 재료가 정공 수송 전극 (그림 7의 전극 1)에 도달하고 수용체 재료가 전자 수송 전극 (전극 2)에 도달할 수 있는 퍼콜레이션 네트워크를 형성할 만큼 충분히 큰 도메인 크기를 유지해야 한다. 이 퍼콜레이션 네트워크가 없으면 전하가 공여체 또는 수용체가 풍부한 도메인에 갇히고 재결합을 겪을 수 있다. 벌크 이종접합은 층상 광활성 구조보다 유리한데, 이는 비슷한 수준의 성능을 유지하면서 층상 구조를 정렬하는 데 관련된 어려운 공정 없이도 효과적인 광자 흡수를 위해 충분히 두껍게 만들 수 있기 때문이다.

벌크 이종접합은 일반적으로 두 구성 요소를 포함하는 용액을 형성하고, 캐스팅(예: 점적 캐스팅 및 스핀 코팅)한 다음, 일반적으로 어닐링 단계를 통해 두 상이 분리되도록 함으로써 생성된다. 두 구성 요소는 자가 조립되어 두 전극을 연결하는 상호 침투 네트워크를 형성한다. 이들은 일반적으로 공액 분자 기반 공여체와 풀러렌 기반 수용체로 구성된다. 벌크 이종접합의 나노구조 형태는 제어하기 어렵지만 태양광 발전 성능에 매우 중요하다.

광자를 포획한 후, 전자는 수용체 도메인으로 이동하여 장치를 통해 운반되어 한 전극에 의해 수집되고, 정공은 반대 방향으로 이동하여 다른 쪽에서 수집된다. 두 재료의 분산이 너무 미세하면 층을 통한 전하 이동이 제대로 이루어지지 않는다.

대부분의 벌크 이종접합 전지는 두 가지 구성 요소를 사용하지만, 세 가지 구성 요소 전지도 탐색되었다. 세 번째 구성 요소인 보조 p형 공여체 중합체는 태양 스펙트럼의 다른 영역에서 빛을 흡수하는 역할을 한다. 이는 이론적으로 흡수되는 빛의 양을 증가시킨다. 이러한 삼원 전지는 전하 전달, 에너지 전달 또는 병렬 연결의 세 가지 메커니즘 중 하나를 통해 작동한다.

전하 전달에서는 두 공여체 모두 자유 전하 운반자 생성에 직접 기여한다. 정공은 양극에서 수집되기 전에 하나의 공여체 도메인을 통과한다. 에너지 전달에서는 하나의 공여체만이 정공 생성에 기여한다. 두 번째 공여체는 오로지 빛을 흡수하는 역할을 하며, 첫 번째 공여체 재료에 추가 에너지를 전달한다. 병렬 연결에서는 두 공여체 모두 독립적으로 엑시톤을 생성하며, 이 엑시톤은 각각의 공여체/수용체 계면으로 이동하여 해리된다.

 예시 
C60 및 그 유도체와 같은 풀러렌은 벌크 이종접합 태양광 전지에서 전자 수용체 재료로 사용된다. MEH-PPV와 메타노 작용기화된 C60 유도체 혼합물을 이종접합으로, ITO와 Ca를 전극으로 사용한 전지는 단색광 조명 하에서 29%의 양자 효율과 2.9%의 전력 변환 효율을 보였다. MEH-PPV를 P3HT로 대체했을 때 10V 역 바이어스 하에서 45%의 양자 효율을 보였다. 전자 수용체를 수정하는 추가적인 발전으로 전자 수용체로 PC71BM과 전자 공여체로 PTB7-Th 혼합물을 사용하여 10.61%의 전력 변환 효율을 가진 장치가 개발되었다.

고분자/고분자 혼합물은 분산 이종접합 태양광 전지에도 사용된다. CN-PPV와 MEH-PPV 혼합물에 Al과 ITO를 전극으로 사용한 전지는 1%의 최대 단색 전력 변환 효율과 0.38의 충진율을 보였다.

염료감응형 태양광 전지 또한 이 유형의 중요한 예시로 간주될 수 있다.

문제점

PC71BM과 같은 풀러렌은 종종 고성능 벌크 이종접합 태양 전지에서 전자 수용체 물질로 발견된다. 그러나 이러한 전자 수용체 물질은 가시광선을 매우 약하게 흡수하여 강하게 흡수하는 전자 공여체 물질이 차지하는 부피 분율을 감소시킨다. 또한 풀러렌은 전자적 튜닝 가능성이 좋지 않아, 더 높은 전압을 위한 더 매력적인 전자 구조를 가진 공액계 개발에 제약을 가한다. 최근에는 이러한 풀러렌을 전자적으로 튜닝할 수 있고 빛 흡수에 기여할 수 있는 유기 분자로 대체하려는 연구가 진행되고 있다.

 경사 이종접합 
전자 공여체와 수용체는 기울기가 점진적으로 혼합된다. 이 구조는 분산 이종접합의 짧은 전자 이동 거리와 이중층 기술의 전하 기울기 장점을 결합한다.

 예시 
CuPc와 C60 혼합물을 사용한 전지는 경사 이종접합에서 100mW/cm2의 모의 AM1.5G 태양광 조명을 사용하여 50%의 양자 효율과 2.1%의 전력 변환 효율을 보였다.

 연속 접합 
경사 이종접합과 유사하게, 연속 접합 개념은 전자 공여체에서 전자 수용체로의 점진적인 전환을 구현하는 것을 목표로 한다. 그러나 수용체 물질은 후중합 변형 단계에서 공여체 중합체로부터 직접 준비된다.

 생산 
활성층이 장치 효율을 크게 결정하므로, 이 구성 요소의 형태는 많은 주목을 받았다.

만약 한 재료가 다른 재료보다 용매에 더 잘 녹는다면, 기판 위에 먼저 증착되어 필름을 통해 농도 기울기를 유발한다. 이는 P3HT와 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르 (PCBM) 장치에서 PCBM이 ODCB 용액에서 스핀 코팅 시 장치 바닥 쪽으로 축적되는 경향을 보이는 것으로 입증되었다. 이 효과는 더 잘 녹는 구성 요소가 코팅 과정 동안 "용매가 풍부한" 상으로 이동하는 경향이 있어, 용매가 더 오래 남아 있는 필름 바닥 쪽으로 더 잘 녹는 구성 요소가 축적되기 때문에 나타난다. 생성된 필름의 두께는 상 분리에 영향을 미치는데, 이는 더 농축된 용액 또는 더 빠른 증발 속도 (더 두꺼운 장치를 만드는 데 필요함)에 대해 결정화 및 침전 역학이 다르기 때문이다. 정공 수집 전극에 더 가까운 결정성 P3HT 농축은 비교적 얇은 (100nm) P3HT/PCBM 층에서만 달성될 수 있다.

초기 형태의 기울기는 주로 용매 증발 속도와 혼합물 내 공여체와 수용체 사이의 혼화성 차이에 의해 생성된다. 이러한 용해도 의존성은 풀러렌 유도체와 P3HT를 사용하여 명확하게 입증되었다. 느린 속도로 증발하는 용매 (예: 클로로벤젠 (CB) 또는 다이클로로벤젠 (DCB))를 사용하면 더 큰 수직 분리 또는 응집을 얻을 수 있지만, 더 빨리 증발하는 용매는 훨씬 덜 효과적인 수직 분리를 생성한다. 더 큰 용해도 기울기는 더 효과적인 수직 분리로 이어져야 하고, 더 작은 기울기는 더 균일한 필름으로 이어져야 한다. 이 두 가지 효과는 P3HT:PCBM 태양 전지에서 확인되었다.

용매 증발 속도뿐만 아니라 후속 용매 증기 또는 열 어닐링 절차도 연구되었다. P3HT:PCBM와 같은 혼합물은 열 어닐링 절차의 이점을 얻는 것으로 보이지만, PTB7:PCBM과 같은 다른 혼합물은 이점을 보이지 않는 것으로 나타났다. P3HT에서 이점은 이러한 도메인 내에서 PCBM 분자의 방출을 통해 생성되는 P3HT 상의 결정성 증가에서 오는 것으로 보인다. 이는 P3HT에서 PCBM 혼화성 연구 및 어닐링 시간에 따른 도메인 조성 변화 연구를 통해 입증되었다.

위의 혼화성 기반 가설은 벌크 이종접합 장치 내에 순수한 비정질 상이 존재하지 않는다는 점을 고려할 때 장치의 효율을 완전히 설명하지 못한다. 2010년 논문은 순수 상과 이산 계면을 가정하는 현재 모델이 순수 비정질 영역의 부재를 고려할 때 실패할 수 있다고 제안했다. 현재 모델은 상 순도를 전혀 고려하지 않고 계면에서 상 분리를 가정하므로 모델을 변경해야 할 수도 있다.

열 어닐링 절차는 적용되는 시점에 따라 달라진다. 수직 종 이동은 활성층과 공기 또는 다른 층 사이의 표면장력에 의해 부분적으로 결정되므로, 추가 층(가장 자주 금속 음극) 증착 전 또는 후에 어닐링하는 것이 결과에 영향을 미친다. P3HT:PCBM 태양 전지의 경우, 금속 음극 증착 후 전지를 어닐링할 때 수직 이동이 향상된다.

인접층 옆에 공여체 또는 수용체가 축적되는 것은 유익할 수 있는데, 이러한 축적이 정공 또는 전자 차단 효과를 유발하여 장치 성능에 도움이 될 수 있기 때문이다. 2009년 P3HT:PCBM 태양 전지에서 수직 분포의 차이가 전자 이동도에 문제를 일으켜 매우 낮은 장치 효율을 초래한다는 것이 밝혀졌다. 장치 아키텍처의 간단한 변경 – P3HT 위에 얇은 PCBM 층을 스핀 코팅하는 것 – 은 장치 구성 요소 간의 재현 가능한 수직 분리를 제공하여 전지 재현성을 크게 향상시킨다. 더 높은 효율을 위해 PCBM과 음극 사이의 더 높은 접촉이 필요하므로, 이는 장치 재현성을 크게 높인다.

중성자 산란 분석에 따르면 P3HT:PCBM 혼합물은 "강" (P3HT 영역)이 "개천" (PCBM 영역)에 의해 끊어진 형태로 설명되었다.

 성장 기술의 발전 
주로 태양광 발전 응용 분야의 유기 필름은 스핀 코팅 및 증기상 증착으로 증착된다. 그러나 각 방법은 특정 단점이 있는데, 스핀 코팅 기술은 더 넓은 표면적을 고속으로 코팅할 수 있지만 한 층에 용매를 사용하면 이미 존재하는 중합체 층을 손상시킬 수 있다. 또 다른 문제는 장치용 기판의 패턴 형성 문제인데, 스핀 코팅은 전체 기판을 단일 재료로 코팅하는 결과를 낳는다.

 진공 열 증착 
right|섬네일|380px|그림 9: 진공 열 증착 (a) 및 유기 증기상 증착 (b)

또 다른 증착 기술은 진공에서 유기 물질을 가열하는 진공 열 증착 (VTE)이다. 기판은 증발된 물질이 기판에 직접 증착될 수 있도록 소스에서 수 센티미터 떨어져 배치된다(그림 9(a)). 이 방법은 다른 층 사이에 화학적 상호 작용 없이 여러 층의 다른 물질을 증착하는 데 유용하다. 그러나 때로는 넓은 면적의 기판에서 필름 두께 균일성과 균일한 도핑에 문제가 있다. 또한 챔버 벽에 증착되는 물질은 나중에 증착을 오염시킬 수 있다. 이 "직시" 기술은 또한 그림자 때문에 필름에 구멍을 만들 수 있어 장치 직렬 저항 및 단락 회로를 증가시킨다.

 유기 증기상 증착 
그림 9(b)에 나타난 유기 증기상 증착(OVPD)은 진공 열 증착보다 필름의 구조와 형태를 더 잘 제어할 수 있다. 이 공정은 불활성 운반 가스 존재 하에 기판 위에 유기 물질을 증발시키는 것을 포함한다. 결과적인 필름 형태는 가스 유량과 소스 온도를 변경하여 조절할 수 있다. 운반 가스 압력을 줄임으로써 균일한 필름을 성장시킬 수 있는데, 이는 가스의 속도와 평균 자유 경로를 증가시키고 결과적으로 경계층 두께를 감소시킨다. OVPD로 생산된 전지는 챔버 벽에서 떨어져 나오는 조각으로 인한 오염 관련 문제가 없는데, 이는 벽이 따뜻하여 분자가 달라붙어 필름을 생성하지 못하기 때문이다.

VTE에 대한 또 다른 장점은 증발 속도의 균일성이다. 이는 운반 가스가 소스에서 나오는 유기 물질의 증기로 포화된 다음 냉각된 기판으로 이동하기 때문에 발생한다(그림 9(b)). 성장 매개변수(소스 온도, 기본 압력 및 운반 가스 유량)에 따라 증착된 필름은 결정성이거나 비정질일 수 있다. OVPD를 사용하여 제작된 장치는 VTE를 사용하여 제작된 장치보다 단락 회로 전류 밀도가 더 높다. 전지 상단에 추가적인 공여체-수용체 이종접합 층은 엑시톤을 차단하면서 전자의 전도를 허용하여 전지 효율을 향상시킬 수 있다.

 용매 효과 
스핀 코팅 및 증발 조건은 장치 효율에 영향을 미친다. 용매와 첨가제는 공여체-수용체 형태에 영향을 미친다. 첨가제는 증발 속도를 늦춰 중합체의 결정성을 높이고, 이로 인해 정공 전도도와 효율이 향상된다. 일반적인 첨가제로는 1,8-옥탄다이싸이올, 오르토-디클로로벤젠, 1,8-다이아이오도옥탄 (DIO), 나이트로벤젠 등이 있다. DIO 효과는 PCBM 구성 요소의 선택적 용해에 기인하며, 전자의 평균 도약 거리를 근본적으로 수정하여 전자 이동도를 향상시킨다. 첨가제는 중합체 효율을 크게 높일 수도 있다. HXS-1/PCBM 태양 전지의 경우, 이 효과는 전하 생성, 수송 및 저장 안정성과 관련이 있었다. PTTBO와 같은 다른 중합체도 DIO의 상당한 이점을 얻어 첨가제 없이 약 3.7%에서 5% 이상의 PCE 값을 달성했다.

클로로나프탈렌(CN)을 보조 용매로 사용하여 제작된 고분자 태양 전지는 더 일반적인 순수 클로로벤젠 용액으로 제작된 전지보다 효율이 높다. 이는 공여체-수용체 형태가 변하여 공여체 고분자와 풀러렌 사이의 상 분리가 감소하기 때문이다. 그 결과 높은 정공 이동도로 이어진다. 보조 용매가 없으면 풀러렌의 큰 도메인이 형성되어 용액에서 고분자 응집으로 인해 전지의 태양광 발전 성능이 저하된다. 이러한 형태는 건조 과정 중 액체-액체 상 분리에서 비롯된다. 용매 증발로 인해 혼합물이 스피노달 영역으로 들어가게 되는데, 이 영역에서는 상당한 열적 변동이 발생한다. 큰 도메인은 전자가 효율적으로 수집되는 것을 방해하여 PCE를 감소시킨다.

고분자 구조의 작은 차이도 결정 패킹에 상당한 변화를 가져올 수 있으며, 이는 필연적으로 장치 형태에 영향을 미친다. PCPDTBT는 두 고분자 사이의 가교 원자(C 대 Si)의 차이로 인해 PSBTBT와 다르며, 이는 PCPDTBT:PCBM 태양 전지가 첨가제를 포함할 때 더 나은 형태를 달성할 수 있음을 의미하며, 반면 Si 시스템은 추가 물질의 도움 없이도 좋은 형태를 달성한다.

 자가 조립 전지 
초분자화학이 스핀 캐스팅 및 가열 시 조립되는 공여체 및 수용체 분자를 사용하여 연구되었다. 대부분의 초분자 조립은 작은 분자를 사용한다. 튜브형 구조의 공여체 및 수용체 도메인은 유기 태양 전지에 이상적이다.

풀러렌을 포함하는 다이블록 고분자는 열 어닐링 시 안정적인 유기 태양 전지를 생성한다. 적절한 초분자 상호작용이 도입될 때 미리 설계된 형태의 태양 전지가 생성되었다.

폴리티오펜 유도체를 포함하는 BCP에 대한 연구는 잘 정의된 네트워크로 조립되는 태양 전지를 생산한다. 이 시스템은 2.04%의 PCE를 나타낸다. 수소 결합은 형태를 안내한다.

공중합체 접근 방식을 기반으로 한 장치 효율은 아직 2% 장벽을 넘지 못했지만, 벌크 이종접합 장치는 단일 접합 구성에서 7% 이상의 효율을 보인다.

풀러렌 그래프트 로드 코일 블록 공중합체는 도메인 조직을 연구하는 데 사용되었다.

유기 태양 전지에 대한 초분자적 접근 방식은 도메인 분리를 유도하는 거대분자 힘에 대한 이해를 제공한다.

 투명 고분자 전지 
투명 또는 반투명 PSC는 가시 스펙트럼 외부의 저에너지 또는 고에너지 광자를 흡수하여 햇빛 활용 능력을 최적화하고 더 넓은 흡수 스펙트럼을 포괄한다. 이러한 유형의 PSC는 가시 스펙트럼 내 광자에 대한 낮은 고유 감도로 인해 근적외선 또는 자외선 광자를 포착하는 데 이상적이다. 일반적인 PSC는 불투명한 금속 전극을 사용하여 투명도를 제한하고 결과적으로 성능을 제한한다. PSC의 흡수층은 본질적으로 반투명하다. 따라서 가시적으로 투명한 PSC를 달성하기 위한 한 가지 접근 방식은 상부 전극을 더 투명하게 수정하는 것이다. ITO, 초박형 금속, 금속 그리드, 그래핀, 탄소 나노튜브와 같은 재료가 반투명 상부 전극을 제작하는 데 사용되었다. 그러나 투명 PSC의 성능은 불투명 전극 PSC에 비해 부족한 것으로 나타났다. 상부 전극을 투명하게 만들면 흡수층에서 전자기장을 가두는 전지의 능력이 감소하여 낮은 PCE를 초래한다. 이러한 전지의 PCE를 개선하기 위한 광범위한 연구가 현재 진행 중이다. 이러한 유형의 PSC는 건물일체형 태양광 발전 시스템, 탠덤 장치 및 휴대용 전자 제품에 적용되었다.

 적외선 고분자 전지 
적외선 전지는 가시광선 파장보다 적외선 범위에서 빛을 우선적으로 흡수한다. 2010년 연구에서는 CNT 필름 상부 전극을 후면에, ITO 유리층을 전면에 배치하여 양쪽에서 광학적 투과를 가능하게 하는 적외선 투과 PSC를 개발했다. ZnO 층을 ITO 위에 배치하고 P3HT:PCBM 층을 ZnO 위에 추가하여 ITO/ZnO/P3HT:PCBM/CNT (아래에서 위로) 전지를 생성했다. 상부 CNT 전극과 하부 ITO 전극 모두 500nm에서 2.5um 스펙트럼 내에서 80%의 투과율을 보였다. 전지 자체는 670nm에서 1.2um 범위에서 80%, 1.2um에서 2.5um 범위에서 60%의 광학적 투과율을 가졌다. 반대로, Ag 상부 전극을 가진 대조군 전지는 이 스펙트럼 내에서 투과율을 보이지 않았다. 또한, 전지는 P3HT:PCBM 층의 높은 가시광선 흡수율로 인해 가시광선 영역에서 비교적 낮은 투과율을 가졌다. 이러한 전지는 탠덤 장치 및 PSC의 수직 조립에 적용될 수 있다.

2012년 현재 적외선 전지는 가시광선에 거의 70% 투명했다. 이 전지는 용액 처리를 사용하여 저렴한 비용으로 대량 생산될 수 있다고 한다. 이 전지는 기존의 불투명 금속 전극을 대체하여 은 나노와이어/이산화 타이타늄 복합 필름을 상부 전극으로 사용한다. 이 조합으로 4%의 전력 변환 효율을 달성했다.

2014년, 나프토다이티오펜 다이이미드와 바이티오펜 (PNDTI-BT-DT)의 공중합체를 기반으로 한 근적외선 고분자 태양 전지가 전자 공여체로 PTB7과 결합하여 제작되었다. PNDTI-BT-DT와 PTB7 모두 혼합 필름에서 순수 필름과 유사한 결정 구조를 형성하여 두 고분자 모두에서 효율적인 전하 생성을 가능하게 했다.

PSCs용 투명 상부 전극 개발에 많은 연구가 집중되어 왔다. 그러나 2017년 연구에서는 반투명 PSC의 활성층을 최적화하는 방안을 모색했다. 연구원들은 좁은 띠틈 중합체 공여체인 PTB7-Th와 비풀러렌 수용체인 IHIC를 모두 활용하여 효율이 향상된 반투명 PSC를 제안했다. 이 연구 결과는 제안된 PSC가 적외선 스펙트럼에서 높은 투과율과 흡수율을 보이지만 가시 스펙트럼에서는 낮은 흡수율을 보였다. 이 전지는 비교적 안정적이며 9.77%의 최대 PCE를 기록했으며, 이는 2017년 기준 최고 보고된 PCE 값이다.

 전형적인 전류-전압 거동 및 전력 변환 효율 
유기 태양광 발전은 무기 태양광 발전과 유사하게 일반적으로 전류-전압 분석을 통해 특성화된다. 이 분석은 장치 성능을 이해하는 데 사용되는 여러 장치 측정값을 제공한다. 가장 중요한 측정값 중 하나는 전력 변환 효율(PCE)이다.

유기 태양광 발전 전류-전압 곡선

PCE (η)는 단락 회로 전류 (JSC), 개방 회로 전압 (VOC) 및 충진율 (FF)의 곱에 비례하며, 이들은 모두 전류-전압 곡선에서 결정될 수 있다.

여기서 Pin은 입사 태양광 전력이다.

단락 회로 전류 (Jsc)는 최대 광전류 생성 값이다. 이는 전류가 y축에, 전압이 x축에 플롯된 표준 전류-전압 곡선의 y절편 값에 해당한다. 유기 태양 전지 내에서 단락 회로 전류는 다양한 재료 요인의 영향을 받을 수 있다. 여기에는 전하 운반자의 이동도, 광학 흡수 프로파일 및 전하 운반자의 보다 효율적인 추출로 이어지는 일반적인 에너지 구동력이 포함된다.

개방 회로 전압 (Voc)은 장치에 전류가 흐르지 않을 때의 전압이다. 이는 전류-전압 곡선에서 x절편에 해당한다. 벌크 이종접합 유기 태양광 장치 내에서 이 값은 활성층 재료의 HOMO 및 LUMO 에너지 준위와 일함수에 크게 의존한다.

전력은 전압과 전류의 곱이므로, 최대 전력점은 전압과 전류의 곱이 최대화될 때 발생한다.

충진율, FF는 전류-전압 곡선의 "정사각형도"로 생각할 수 있다. 이는 최대 전력 값과 개방 회로 전압 및 단락 회로 전류의 곱의 몫이다. 이는 위 이미지에서 노란색 직사각형의 면적과 더 큰 파란색 직사각형의 면적의 비율로 표시된다. 유기 태양광 발전의 경우 이 충진율은 생성된 전하가 장치에서 얼마나 효율적으로 추출되는지에 대한 측정값이다. 이는 장치를 통해 전하가 수송되는 것과 재결합하는 전하 사이의 "경쟁"으로 생각할 수 있다.

고분자 태양 전지를 둘러싼 주요 문제점은 제작된 전지의 낮은 전력 변환 효율 (PCE)이다. 상업적으로 실용적인 것으로 간주되려면 PSC는 최소 10-15%의 효율을 달성할 수 있어야 한다—이는 무기 PV보다 훨씬 낮다. 그러나 고분자 태양 전지의 저렴한 비용으로 인해 10-15%의 효율은 상업적으로 실용적이다.

고분자 태양 전지 성능의 최근 발전은 단락 회로 전류를 높이기 위해 밴드갭을 압축하고 개방 회로 전압을 높이기 위해 최고 점유 분자 궤도(HOMO)를 낮춘 결과이다. 그러나 PSC는 여전히 낮은 충진율(일반적으로 70% 미만)로 고통받고 있다. 하지만 2013년 현재 연구자들은 75% 이상의 충진율을 가진 PSC를 제작할 수 있었다. 과학자들은 역방향 BHJ와 비전통적인 공여체/수용체 조합을 통해 이를 달성할 수 있었다.

 상업화 
섬네일|300px|연도별 "고분자 태양 전지" 주제에 기여한 과학 출판물 수. ISI, Web of Science를 통해 검색.

고분자 태양 전지는 아직 규소 태양 전지 및 다른 박막 전지와 상업적으로 경쟁하지 못하고 있다. 현재 고분자 태양 전지의 효율은 10%에 가깝고, 규소 전지보다 훨씬 낮다. 고분자 태양 전지는 또한 효과적인 보호 코팅이 부족하여 환경적 열화로 고통받고 있다.

전하 운반자 확산을 촉진하기 위해서는 성능의 추가 개선이 필요하며, 질서 및 형태 제어를 통해 수송을 향상시켜야 한다. 또한 계면을 가로지르는 전하 이동 문제에 계면 공학을 적용해야 한다.

고분자 태양 전지의 효율을 높이기 위해 탠덤 구조 사용에 대한 연구가 진행 중이다. 무기 탠덤 구조와 유사하게 유기 탠덤 구조도 효율을 높일 것으로 기대된다. 저밴드갭 재료를 사용하는 단일 접합 장치와 비교할 때, 탠덤 구조는 광자-전자 변환 중 열 손실을 줄일 수 있다.

고분자 태양 전지는 상업적으로 널리 생산되지 않는다. 2008년부터 코나르카 테크놀로지스는 고분자-풀러렌 태양 전지 생산을 시작했다. 초기 모듈은 3~5% 효율이었고, 몇 년밖에 지속되지 않았다. 코나르카는 이후 파산 신청을 했는데, 이 고분자 태양 전지들이 PV 시장에 침투하지 못했기 때문이다.

PSC는 여전히 낮은 충진율(일반적으로 70% 미만)로 어려움을 겪고 있다. 그러나 2013년 현재 연구자들은 75% 이상의 충진율을 가진 PSC를 제작할 수 있었다. 과학자들은 역방향 BHJ와 비전통적인 공여체/수용체 조합을 통해 이를 달성할 수 있었다.

그러나 고분자 태양 전지의 제조 규모를 확대하여 비용을 절감하고 PSC 생산에 대한 실용적인 접근 방식을 옹호하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 노력에는 완전 롤투롤 용액 처리가 포함된다. 그러나 롤투롤 용액 처리는 고분자 태양 전지의 짧은 수명으로 인해 계통 연결 전기 생산에 부적합하다. 따라서 고분자 태양 전지의 상업적 응용은 여전히 주로 가전 제품 및 가전 제품을 포함한다.

 유기 태양 전지 모델링 
위에서 논의했듯이, 유기 반도체는 장거리 질서가 없는 고도로 무질서한 물질이다. 이는 전도대와 원자가대 경계가 잘 정의되지 않음을 의미한다. 또한, 이러한 물리적 및 에너지적 무질서는 광생성된 전자와 정공이 갇히고 결국 재결합할 수 있는 트랩 상태를 생성한다.

장치 모델에서 유기 태양 전지를 정확하게 설명하는 데 있어 핵심은 트랩 상태를 통한 전하 포획 및 재결합을 포함하는 것이다. 일반적으로 사용되는 접근 방식은 표준 드리프트 확산 방정식을 사용하여 장치 전체의 전하 수송을 설명하는 효과적인 매질 모델을 사용하는 것이다. 그런 다음, 이동도 가장자리에서 밴드갭으로 붕괴하는 트랩 상태의 지수 꼬리가 도입된다. 이러한 트랩 상태로부터의 포획/탈출을 설명하기 위해 쇼클리-리드-홀(SRH)을 사용할 수 있다. 쇼클리-리드-홀 메커니즘은 시간 영역과 정상 상태 모두에서 고분자:풀러렌 장치 거동을 재현할 수 있음이 입증되었다.

유기 태양 전지를 설계하려면 밴드갭 및 층 두께와 같은 수많은 구조 및 조성 매개변수를 최적화해야 한다. 수치 장치 시뮬레이션은 최적의 스택 구성을 식별하는 데 중요한 통찰력을 제공할 수 있다. 이를 통해 효율적인 태양 전지 개발에 필요한 시간을 줄일 수 있다.

 현재의 과제와 최근의 진전 
유기 태양광 발전 전지와 관련된 어려움에는 유기 태양광 발전 장치에 비해 낮은 외부 양자 효율(최대 70%)이 포함되는데, 이는 좋은 내부 양자 효율에도 불구하고 100나노미터 규모의 활성층으로 인해 흡수율이 충분하지 않기 때문이다. 산화 및 환원에 대한 불안정성, 재결정화 및 온도 변화 또한 시간이 지남에 따라 장치 열화 및 성능 저하로 이어질 수 있다. 이는 구성이 다른 장치마다 정도가 다르며, 활발한 연구가 진행 중인 분야이다.

다른 중요한 요소로는 불순물의 존재에 의해 영향을 받는 엑시톤 확산 길이, 전하 분리 및 전하 수집이 있다.

 전하 운반자 이동도 및 수송 
특히 벌크 이종접합 태양 전지의 경우, 유기 태양광 발전의 효율을 개선하는 데 있어 전하 운반자 수송을 이해하는 것이 중요하다. 현재 벌크 이종접합 장치는 전하 운반자 이동도가 불균형하며, 정공 이동도가 전자 이동도보다 최소 한 자릿수 낮다. 이는 공간 전하 축적을 유발하고 장치의 충진율 및 전력 변환 효율을 감소시킨다. 낮은 이동도 때문에 효율적인 벌크 이종접합 태양광 발전은 전하 운반자의 재결합을 피하기 위해 얇은 활성층으로 설계되어야 하며, 이는 흡수 및 공정 확장성에 해롭다. 시뮬레이션은 0.8 이상의 충진율과 90% 이상의 외부 양자 효율을 가진 벌크 이종접합 태양 전지를 가지려면 공간 전하 효과를 줄이기 위해 균형 잡힌 전하 운반자 이동도가 필요하며, 전하 운반자 이동도의 증가 및 이분자 재결합 속도 상수의 감소가 필요하다는 것을 입증했다.

 필름 형태의 영향 
380px|right|섬네일|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.

 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. 유기 태양 전지의 유연성에 더하여, 유연한 전극 및 기판을 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. 나노 각인 중합체 전극, 패턴화된 PET 기판 및 심지어 액정 디스플레이(LCD)용으로 상업화된 광학 디스플레이 필름도 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. 낮은 접촉 저항을 유지하면서 높은 투명도를 갖는 반투명 전극 증착 연구를 포함하여 이러한 하이브리드 탠덤 태양 전지 스택 형성을 가능하게 하는 많은 연구가 수행되었다.

 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. 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. 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. 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.

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.

 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. 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. 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. 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.

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. 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.

 같이 보기 

 바이오플라스틱
 Conductive ink
 염료감응형 태양전지
 에너지 하베스팅
 그리드 패리티
 하이브리드 태양 전지
 잉크젯 태양 전지
 나노결정 태양 전지
 광화학전지
 인쇄전자
 롤투롤

기타 3세대 태양 전지:
 염료감응형 태양전지
 하이브리드 태양 전지
 나노결정 태양 전지
 광화학전지

 각주 

 더 읽어보기 

 Electronic Processes in Organic Crystals and Polymers, 2판. Martin Pope와 Charles E. Swenberg 저, Oxford University Press (1999), 
 Organic Photovoltaics by Christoph Brabec, Vladimir Dyakonov, Jürgen Parisi and Niyazi Serdar Sariciftci (편집.), Springer Verlag (베를린, 2003), 
 Organic Photovoltaics: Mechanisms, Materials, and Devices (Optical Engineering) by Sam-Shajing Sun and Niyazi Serdar Sariciftci (편집.), CRC Press (2005), 
 Handbook of Organic Electronics and Photonics (3권 세트) by Hari Singh Nalwa, American Scientific Publishers. (2008), 
 
 
 N.S. Sariciftci, A.J. Heeger, Photophysics, charge separation and device applications of conjugated polymer/fullerene composites, in Handbook of Organic Conductive Molecules and Polymers, edited by H.S.Nalwa, 1, Wiley, Chichester, New York, 1997, Ch. 8, p.p. 413–455
 "Plastic Solar Cells" 크리스토프 J. 브라벡, N. Serdar Sariciftci, Jan Kees Hummelen, Advanced Functional Materials, Vol. 11 No: 1, pp. 15–26 (2001)
 
 H. Hoppe and N. S. Sariciftci, Polymer Solar Cells, p. 1–86, in Photoresponsive Polymers II, Eds.: S. R. Marder and K.-S. Lee, Advances in Polymer Science, Springer, , Berlin-Heidelberg (2008)

 외부 링크 

 "Electron 'spin' key to solar cell breakthrough" (University of Cambridge)
 LIOS – Linzer Institut für Organische Solarzellen, Johannes Kepler Universität Linz, Österreich
 Quantsol 1998

분류:태양 전지