C60 중간층으로 강화된 두꺼운 LiF 음극 버퍼층, 고분자 태양전지 효율 향상

요약

리튬 플루오라이드(LiF)는 벌크 헤테로접합 고분자 태양전지(PSC)의 검증된 음극 버퍼층(CBL)입니다. 기존 LiF 층은 절연 특성으로 인해 ~1 nm로 제한되어 증착 제어가 어렵고 하부 활성층 보호가 불충분합니다. 여기서는 활성 물질과 LiF 사이에 얇은 C60 중간층을 삽입하여 효율 저하 없이 훨씬 두꺼운 LiF 층을 사용할 수 있음을 입증했습니다. C60(3 nm)/LiF(5 nm) 이중층을 가진 PSC는 3.65%의 최대 전력 변환 효율(PCE)을 달성하여 5 nm 단일 LiF 층의 1.79%보다 2배 높았습니다. 향상된 성능은 주로 C60/LiF 계면에서의 혼합으로 인한 전기 전도도 향상, P3HT/C60 서브셀 형성, C60의 광학 스페이서 효과에서 기인합니다. LiF 두께를 8 nm로 늘려도 C60/LiF 이중층은 1.10% PCE를 유지하는 반면 단일 LiF 층은 거의 활성을 보이지 않습니다. 이 결과는 C60/LiF 이중층이 얇은 LiF의 강력한 대안이며 두께 변화에 높은 내성을 가짐을 확인합니다.

배경

용액 공정 벌크 헤테로접합 고분자 태양전지는 저비용, 유연성, 확장성으로 큰 주목을 받았습니다. 그러나 전력 변환 효율(PCE)은 여전히 실리콘 태양전지보다 낮습니다. 새로운 공여체 고분자와 비풀러렌 수용체로 11-13%의 돌파구가 마련되었습니다. 또한 양극 또는 음극 버퍼층(ABL/CBL) 삽입으로 장치 성능을 추가 향상시킬 수 있습니다.

기존 PSC에서 ITO 양극은 저일함수 음극 버퍼인 Ca로 보완됩니다. 불행히도 Ca는 쉽게 산화되어 안정성을 해칩니다. 리튬 플루오라이드(LiF)는 계면 쌍극자를 생성하여 음극 일함수를 낮추기 때문에 널리 사용되는 CBL입니다. 그럼에도 불구하고 LiF의 절연 특성은 실용적 두께를 2 nm 미만, 일반적으로 ~1 nm로 제한하여 정밀 증착을 어렵게 하고 금속 증착 중 보호가 불충분합니다.

이러한 제약을 극복하기 위해 이전에는 다층 C60/LiF 스택을 보고했지만 증착 공정이 복잡하고 비용이 많이 들었습니다. 본 연구에서는 단일 C60/LiF 이중층을 사용하여 구조를 단순화했습니다. LiF 전에 C60 중간층을 증착하면 효율 저하 없이 더 두꺼운 LiF를 사용할 수 있습니다. C60(25 nm)/LiF(1-6 nm) 장치는 ~3% PCE를 유지하는 반면 5 nm 단일 LiF는 급격히 떨어집니다. 이중층의 최대 효율 3.77%는 LiF 단일 장치의 3.06%보다 ~23% 높아 이중층의 우월성을 입증합니다.

방법

PSC 제작

ITO 코팅 유리 기판(Delta Technologies)을 아세톤과 이소프로필 알코올(IPA)로 초음파 세정(각 5분)하고 O2 플라즈마(60초)로 친수성 표면을 만들었습니다. 필터링된 PEDOT:PSS(Clevios PH 500)를 2000 rpm으로 50초 스핀 코팅하고 질소 분위기에서 110°C 20분 베이킹했습니다. 시료를 N2 퍼지 글러브박스(<0.1 ppm O2/H2O)로 옮겨 광활성층을 스핀 코팅했습니다.

P3HT(Rieke Metals, 91-94% 레귤러리티)와 PCBM(American Dye Source, >99.5%)을 클로로벤젠에 1:1 중량비로 용해했습니다. 용액을 필터링(0.45 µm)하고 PEDOT:PSS 위에 1000 rpm 50초 스핀 코팅한 후 130°C 20분 열처리했습니다. 이 공정으로 ~160 nm 활성층이 생성됩니다(Dektek 프로필로미터 측정). 순차적 열증착(기저 압력 1×10⁻⁶ mbar)으로 C60, LiF, Al(75 nm)을 증착했습니다. Al 증착 전 1 mm 원형 섀도 마스크로 활성 영역을 정의했습니다.

특성 분석

전류 밀도-전압(J-V) 특성은 시뮬레이션된 AM 1.5 G(100 mW/cm²) 조명 하에서 Keithley 2400으로 기록했으며 참조 실리콘 셀로 보정했습니다. 측정은 글러브박스 내에서 수행했습니다. 원자현미경(AFM) 이미지는 Veeco Dimension-Icon으로 탭핑 모드에서 획득했습니다. UV/Vis 흡수 스펙트라는 Varian Cary 50으로 얻었습니다. 광유도 선형 전압 증가 전하 추출(Photo-CELIV)은 주변 조건에서 PSC에 수행했습니다: 펄스 N2 레이저(337.1 nm, 1.4 ns)가 캐리어를 생성한 후 100 µs 지연 뒤 역바이어스 램프를 적용했습니다. 전류 과도는 디지털 오실로스코프(50 Ω 입력)로 기록했습니다. 전하 캐리어 이동도(μ)는 표준 Photo-CELIV 방정식으로 계산했습니다: μ = (2d²)/(3At_max²[1+0.36Δj/j(0)])。

결과 및 논의

그림 1은 활성층과 5 nm LiF 버퍼 사이에 C60 중간층이 있거나 없는 PSC의 J-V 곡선을 보여줍니다. C60 없는 장치는 현저한 S자형 곡선을 보여 낮은 필 팩터(FF)와 결과적으로 낮은 PCE를 나타내지만 정상적인 Jsc와 Voc 값을 가집니다. S자 형태는 LiF의 절연 특성으로 인한 직렬 저항(Rs) 증가와 션트 저항(Rsh) 감소에서 기인합니다. 3 nm C60 층 도입으로 S자 형태가 제거되고 FF가 32.4%에서 56.3%로 상승했습니다. FF는 8 nm C60 층에서 67%로 정점을 찍은 후 두께 증가에 따라 약간 감소합니다. 해당 PCE는 3.65%로 LiF 단일 장치의 1.79%보다 2배 높습니다. 장치 매개변수는 높은 재현성(표준편차 <0.2%)을 보여 결과의 신뢰성을 확인합니다.

AFM 분석(그림 2)에 따르면 C60 층은 큰 구형 응집체를 형성하는 반면 LiF는 더 작은 섬으로 증착됩니다. 35 nm C60 층 위에 5 nm LiF를 증착하면 하부 C60 응집체가 부분적으로 노출되어 C60/LiF 계면에서 혼합이 일어납니다. 이 혼합 형태는 이중층의 전기 전도도를 향상시키는 페르콜레이션 네트워크를 제공하며, 이는 향상된 FF로 입증됩니다.

그림 3은 단일 LiF CBL과 C60/LiF 이중층 장치를 비교하며 LiF 두께를 0.5~8 nm로 변화시켰습니다. LiF 단일 장치는 1 nm에서 최대 3.06% PCE를 달성하지만 6 nm에서 0.79%, 8 nm에서 0.06%로 급격히 떨어집니다. 대조적으로 C60(25 nm)/LiF 이중층은 높은 효율을 유지합니다: 1 nm에서 3.77%, 6 nm에서 2.65%, 8 nm에서 1.10%. 향상은 더 높은 FF와 Jsc에서 비롯되며, 이는 감소된 Rs에 기인합니다. Photo-CELIV 측정(그림 S1)은 C60/LiF 이중층이 LiF 단일 대비 전자 이동도를 10배 향상시켜 향상된 전하 수송을 확인합니다.

추가 분석에 따르면 C60 중간층은 P3HT/C60 서브셀 형성과 광학 스페이서 역할로 Jsc도 향상시킵니다. ITO/PEDOT:PSS/P3HT/C60(25 nm)/LiF/Al 장치에서 다양한 P3HT 두께로 실험한 결과 Jsc는 P3HT 층이 ~10 nm일 때 정점을 찍으며, 이는 P3HT의 엑시톤 확산 길이(~10 nm)와 일치합니다. 이 효과는 이중층 장치에서 추가적인 ~1 mA/cm² Jsc 증가를 설명합니다.

전계 분포 시뮬레이션(그림 S2a)은 C60 도입이 단파장 전계를 약화시키지만 장파장에서 강화하여 적색 편이된 흡수 프로파일을 유도함을 보여줍니다. 광학 스펙트라(그림 S2b)는 C60/LiF 이중층이 가시광선 영역에서 추가 흡수를 도입하지 않으면서 400-510 nm와 580-680 nm 창에서 흡수를 향상시킴을 확인합니다. 입사 광자-전류 변환 효율(IPCE) 측정(그림 S2c)은 단파장에서 약간의 감소(C60 기생 흡수 때문)지만 장파장에서 현저한 증가를 보여 광학 스페이서 효과와 서브셀 기여를 반영합니다.

LiF 층이 8 nm에 도달하면 C60/LiF 이중층의 PCE는 1.10%로 떨어집니다. 이는 증가된 Rs 때문입니다. AFM 이미지(그림 S3)에 따르면 이 두께에서 LiF가 C60 응집체를 완전히 덮어 혼합을 방지하고 전자 추출을 방해하는 차단층을 생성합니다. 결과적으로 이중층은 단일 LiF 층보다 LiF 두께 변화에 더 관대합니다.

결론

C60 중간층 도입으로 두꺼운 LiF 버퍼를 P3HT:PCBM PSC에 성공적으로 적용할 수 있음을 보였습니다. C60(25 nm)/LiF(5 nm) 이중층은 3.65%의 최대 PCE를 제공하여 LiF 단일 장치(1.79%)의 2배입니다. 성능 향상은 전도성 C60/LiF 계면 덕분의 높은 FF와 P3HT/C60 서브셀 및 광학 스페이서 효과로 인한 적당한 Jsc 증가에서 비롯됩니다. 8 nm LiF에서도 이중층은 1.10% PCE를 유지하는 반면 LiF 단일은 0.06%에 그칩니다. 8 nm에서의 하락은 혼합 부족과 그에 따른 전자 수송 장벽 때문입니다. 전반적으로 C60/LiF 이중층은 완화된 LiF 두께 제약으로 견고하고 고효율 PSC를 위한 단순하고 비용 효율적인 경로를 제공합니다.