휴대폰 화면, 건물 외관, 심지어 텐트에서도 쉽게 전기를 생산할 수 있는 미래를 상상해 보세요.-이는 고분자 태양전지(PSC)의 엄청난 잠재력을 통해 가능해진 일입니다. 기존의 실리콘- 기반 태양광 패널과 비교할 때 PSC는 가볍고 유연하며 대면적 장치 제조에 적합한 솔루션-인쇄가 가능하다는-독특한 장점을 갖고 있어 새로운 에너지 분야에서 떠오르는 별이 되었습니다. 그러나 상용화에 있어 가장 큰 걸림돌은 광전변환효율(PCE) 향상이다. 지난 10년 동안 PCE는 약 1%에서 11% 이상으로 급증했으며, 이를 뒷받침하는 주요 원동력 중 하나는 고성능 폴리머 광전지 재료의 설계 및 최적화입니다.-
1. 폴리티오펜에서 D-A 공중합체까지
초기 연구는 P3HT와 같은 폴리티오펜 단독중합체에 초점을 맞추었지만 흡수 스펙트럼이 좁고 HOMO 수준이 높아 효율성이 제한되었습니다. 연구자들은 분자 설계를 통해 이러한 한계를 극복했습니다. 예를 들어 폴리티오펜에 비티오펜 에틸렌과 같은 2차원 공액 가지를 도입하면 흡수 스펙트럼이 넓어졌을 뿐만 아니라 HOMO 수준이 약 0.2eV 낮아져 장치의 개방{4}}회로 전압과 단락-회로 전류가 크게 향상되어 효율이 2.41%에서 3.18%로 증가했습니다. 또 다른 전략은 알킬 사슬의 수를 줄이고 에스테르 그룹과 같은 전자를 끄는 그룹(예: 에스테르 그룹)을 도입하는 것입니다. 이는 HOMO 에너지 수준을 효과적으로 낮추고 Voc(예: PDGBT가 0.91V에 도달) 및 효율(7.2%)을 크게 향상시킬 수 있습니다.
2. 벤조디티오펜(BDT)
진정한 혁명적인 돌파구는 공여체-수용체(D-A) 교대 공중합체 구조에서 나왔습니다. 그 중에서 벤조디티오펜(BDT) 유닛은 큰 공액면, 높은 이동성, 쉬운 구조 변형으로 인해 눈에 띄었습니다. 2008년 Hou Jianhui 연구원은 Yang 연구 그룹의 D-A 폴리머 설계에서 BDT 사용을 개척했습니다. 이후 BDT와 티오펜[3,4{9}}b]티오펜(TT)의 조합은 고성능 소재의 황금색 조합이 되었습니다.
폴리머와 같은 BDT-의 잠재력을 더 자세히 조사하기 위해 2차원 공액 가지와 불소화 전략을 채택할 수 있습니다.
BDT 단위에 2차원 공액 가지를 도입하면 분자의 π-전자 공액 영역이 크게 확장됩니다. 이는 분자간 상호작용과 전하 수송 능력을 향상시킬 뿐만 아니라 흡수 스펙트럼과 분자 에너지 수준을 효과적으로 조절합니다. 예를 들어, 10% 이상의 효율성 혁신을 달성한 PBDTTT-C-T, PTB7-Th 및 이후 PBDT-TS1이 모두 이 설계의 이점을 얻었습니다.
전자를 강하게 끌어당기는-불소 원자를 BDT의 측쇄 또는 TT 수용체 단위에 선택적으로 도입하면 폴리머의 HOMO 에너지 수준을 시너지 효과적으로 크게 감소시켜 장치의 개방-전압을 크게 향상시킬 수 있습니다. PBT-OF에서 PBT-3F로 불소 원자 수가 증가함에 따라 Voc는 0.56V에서 0.78V로 증가하고 효율은 4.5%에서 8.6%로 점프합니다.
3. 형태학 제어
고성능은 재료 자체뿐만 아니라 활성층의 공여체/억셉터 혼합물에 의해 형성된 벌크 이종접합의 미세 구조에 따라 달라집니다. 형태가 정확해야 합니다. 위상 영역이 너무 크면 엑시톤이 분리되기 전에 재결합할 것입니다. 위상 영역이 너무 작으면 무료 전하도 쉽게 재결합됩니다. 연구자들은 폴리머 블렌드를 제어하기 위한 두 가지 접근 방식을 탐구했습니다.
친환경 용매 처리: 독성 할로겐화 용매를 피하기 위해 연구자들은 특정 첨가제(예: NMP)와 결합된 o-자일렌 및 o-메틸 아니솔(MA)과 같은 친환경 용매의 사용을 탐구하여 할로겐화 용매 시스템과 유사한 우수한 형태를 성공적으로 복제하고 거의 10%의 높은 효율을 달성했습니다.
분자 구조 최적화: 폴리머 백본을 선형으로 만들거나 공액 영역을 늘리거나 알킬 측쇄를 미세하게 조정하도록 설계함으로써 폴리머의 결정성과 분자 패킹을 능동적으로 제어하여 이상적인 블렌드 형태를 얻을 수 있습니다.
친환경 에너지의 중요한 구성 요소인 고분자 광전지 소재는 고유한 특성과 장점으로 에너지 전환 추세를 선도하고 있습니다. 지속적인 기술 발전과 시장 확장을 통해 고분자 광전지 재료는 향후 더욱 광범위한 응용 전망과 엄청난 시장 잠재력을 보여줄 것입니다. 인류 사회에 더 깨끗하고 효율적이며 지속 가능한 에너지 솔루션을 제공하는 고분자 광전지 소재를 기대해 보세요!
