Fabrication of stable conducting polymer films using polymer nanoparticles and their application in polymer solar cells

Abstract

π-공액 고분자(π-conjugated polymers)들은 전자 산업 같은 미래 지향적 적용이 가능할 것으로 기대되는 물질로서 물질의 전기적 성질이나 기계적 유연성 그리고 상대적으로 쉬운 제조방법 등으로 인하여 각광받고 있다. 특히, 공액(conjugation) 방해 결함이 적은 잘 정렬된 고분자를 만들 수 있다면 고분자의 전기적 전도성의 조절도 가능하다는 것이 알려져 있다. 하지만 기존의 전기전도성 고분자는 단지 전기전도 특성만을 가지며, 불용성이어서 가공이 용이하지 않다는 단점을 가지고 있다. 이러한 전기전도성 고분자의 기계적, 열적, 전기적 성질 등의 각종 특성 개선의 목적 외에 단일 재료로는 얻을 수 없는 새로운 기능을 부여하기 위하여 많은 연구가 이루어지고 있으며, 전기전도성 고분자와 고분자 수지의 복합 재료에 대한 연구가 이루어지고 있다. 전도성 고분자 중 폴리티오펜 유도체중 PEDOT/PSS로 약칭되는 폴리-3,4-에틸렌디옥시티오펜/폴리스티렌설포네이트는 정공수송층으로 고분자 태양전지뿐 아니라 유기발광다이오드 층에 널리 쓰이고 있다. 하지만 PSS는 수분을 잘 흡수하여 수분 제거를 필요로 하는 경우에 사용하기 곤란하고, 전자와의 반응에 의해서 분해되어 설페이트(Sulfate) 등과 같은 물질을 방출하여 인접한 유기막, 예를 들면 발광층으로 확산시킬 수 있는데, 이와 같이 정공 주입층으로부터 유래된 물질의 발광층으로의 확산은 엑시톤 소멸 (exciton quenching)을 야기하여 유기 전계 발광 소자의 효율 및 수명 저하를 초래한다. 따라서 본 연구진은 유기 태양전지 및 전계 발광소자 등에 널리 쓰이는 PEDOT:PSS 가 가지는 단점을 극복하기 위해 100 나노 보다 작은 고분자 나노입자를 합성하고 이를 템플릿으로 한 낮은 전기적 임계점을 가지는 전도성 박막을 개발함으로써 PEDOT:PSS 함량을 최소화 함으로써 흡습성이 작고, 공기 안정성이 매우 좋은 전도성 박막을 개발하고 이를 유기태양전지 내에 도입함으로써 전기적 손실없이 우수한 공기 안정성을 보이는 유기태양전지소자를 개발할 수 있었다. 또한, 나노입자의 두께를 PEDOT:PSS와 달리하여 역구조 유기태양전지에 도입하는 연구를진행 하였다. 구조적 변화로 인해 나노입자가 무작위의 전극 표면에 나노구조를 가지게 만듦으로써 빛의 산란과 반사과정을 통해 유기태양전지의 효율이 높아짐을 확인하였다. 또한 구조적 `변화가 나노입자의 함량에 따라 변화하는 것을 전기적/형태학적으로 분석함으로써 역구조 유기태양전지 효율 향상에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다. 일반적으로 다층구족 형태의 유기태양전지의 경우 서로 다른 물리적/화학적 특성으로 인하여 계면에 매우 약한 결합을 가지기 때문에 고분자 태양전지의 기계적 특성이 매우 낮은 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 세가지 크기를 가지는 고분자 나노입자를 합성하고 이를 유기태양전지에 사용되는 정공수송층에 도입함으로써 정공수송층의 물리적 특성뿐만 아니라 다층 구조의 유기태양전지의 접합력에 미치는 영향을 조절하고자 하였다. 그 결과 나노입자의 크기 및 함량에 따라 물리적 기계적 특성에 변화가 나타남을 확인하였으며 이를 통해 물리적 화학적 특성이 향상된 유기태양전지를 개발하였다. 이와 더불와 고분자 콜로이드 템플릿 내에서 낮은 함량의 전도성 고분자를 분산시키고 계면 접착력을 향상시켜 전기적 임계점을 낮추는 복합체를 제조하고자 하였다. 계면 접착력 향상을 위해 기존에 많이 사용되었던 블록공중합체가 아닌 고분자로 코팅 되고 열적으로 안정한 금 나노입자를 이용하였다. 실험의 결과로써 기존의 상용화제 보다 더 낮은 함량에서도 뛰어난 상용특성을 가짐을 확인하였다. 이는 무기입자가 가지는 흡수 에너지가 훨씬 크기 때문에 다른 두 고분자 계면 사이에 위치시켰을 때 손실되는 나노입자 없이 계면 에너지를 감소시킬 수 있기 때문이다. 본 연구에서는 일정한 크기로 가교 된 서브 마이크론 크기의 고분자 콜로이드가 가지는 자기 조립특성을 이용함으로써 연속적 전도성 필름을 제조할 수 있었으며 전체 부피의 5%의 전도성 고분자만을 이용하여 성공적인 전도성 필름을 제작할 수 있었다