Preparation and Characterization of Electrospun Conjugated Polymer Nanofibers with Controlled Diameter and Photovoltaics Thereof

Abstract

태양전지는 빛을 흡수하여, 전력을 생산하는 기기로, 전하를 수집하는 전극과 생성하는 광활성층으로 이루어져 있다. 광활성층이 유기 물질로 된 경우, 유기 태양전지라 하며, 일반적으로 전자 주개 물질과 전자 받개 물질을 잘 섞어, 벌크 이종접합 구조의 광활성층을 사용한다. 벌크 이종접합 구조는, 이중층 구조에 비해 전자 주개 물질과 받개 물질 간의 계면을 크게 증가시킬 수 있고, 이에 따라 엑시톤의 분리가 더 효과적으로 일어날 수 있다. 하지만, 전자 주개 물질과 받개 물질이 서로 뒤섞여 광활성층을 형성하기 때문에, 중간중간 독립된 상을 만들게 된다. 이러한 상에서는, 분리된 전하가 전극으로 이동할 수 없고, 재결합하여 에너지를 방출하게 된다. 따라서, 전하 수송을 원활히 하기 위해, 광활성층에 하나로 이어진 전하 이동 통로가 형성되어야 한다. 이와 관련하여, 1-D 구조 공액 고분자는, 지름 대비 길이 비율이 크기 때문에, 전하 이동 통로를 형성하기에 적합하다. 전기방사는 대부분의 고분자를 이용하여 1-D 구조의 나노섬유를 만들 수 있는, 간편한 방법이다. 본 연구에서는, 전기방사를 통해 가장 대표적인 전자 주개 물질인 P3HT 를, 얇은 지름의 나노섬유로 제조하고, 이를 유기 태양전지 광활성층으로서 적용가능성을 확인해 보고자 한다. 더 얇은 지름으로 조절하기 위해, 전기방사용액에 보조 고분자인 PEO 와 극성 용매인 DMF, acetic acid 를 적정량 첨가하였다. PEO 첨가로 전기방사용액의 점성을, 극성 용매 첨가로 전기전도도를 적정 수준으로 증가시켰다. 개선된 점성과 전기전도도로 인해, 뭉침 현상 없이 얇은 나노섬유를 제조하였다. 부도체인, PEO 를 제거한 이후, 80 nm의 얇은 지름을 갖는 P3HT 나노섬유를 형성하였다. 특히, 새로운 전자 주개 물질 중 하나인, PCDTBT 나노섬유의 지름은 30 nm 로 조절되었다. PL quenching 현상을 통하여 제조된 P3HT 나노섬유에서 엑시톤 분리가 효과적으로 일어나고 있음을 확인하였고, 이를 광활성층으로 적용하여 1 %의 효율을 갖는 태양 전지 셀을 만들 수 있었다. 추후, 최적화 공정을 통하여 셀 효율을 상승시킬 수 있을 것이라 기대된다.

Organic photovoltaic (OPV) device is an energy conversion device which converts light into electricity. To improve the efficiency of the OPV, bulk heterojunction (BHJ) structured active layer is commonly used to increase the interfacial area between donor and acceptor, which cannot normally be accomplished in the bilayer structure. The extension of the interfacial area between donor and acceptor is expected to improve the exciton dissociation

thereby increasing the efficiency. However, randomly orientated phases, which appear in the BHJ structured active layer, can result in unconnected islands and therefore reduce the charge transport efficiency. To improve the charge transport efficiency, continuous pathway should be fabricated in an active layer of BHJ OPV. For this purpose, electrospinning is utilized as a facile method for the fabrication of 1-D conjugated polymer nanofibers. For nanofibers with thinner diameter of nanofibers, a proper amount of PEO as an auxiliary polymer, along with DMF and acetic acid as polar solvents were added to the electrospinning dope solution. The addition of an auxiliary polymer increased the viscosity of the electrospinning dope solution and the addition of polar solvent increased the charge density of the electrospinning dope solution. Enhanced viscosity and enhanced charge density resulted in the fabrication of beadless, thin nanofibers. After PEO, which is an insulator, was removed, thin P3HT nanofibers with a diameter of 80 nm was fabricated. In addition, the fabrication of PCDTBT nanofibers with a diameter of approximately 30 nm was accomplished by a similar method. The exciton dissociation of the fabricated P3HT nanofibers was confirmed by photoluminescene quenching, which implies that the fiber can be utilized as an efficient OPV cell material. The power conversion efficiency of electrospun P3HT nanofiber-based OPV cells was c.a. 1 % and would be expected to be increased after the proper optimization processes.