[논문 리뷰] Modelling of limitations of bulk heterojunction architecture in organic solar cells

Jacek Wojtkiewicz, Marek Pilch|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 04.

Organic Electronics and Photovoltaics참고 문헌 9인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 랜덤한 BHJ 네트워크에서의 효과적 기부자-수용체 계면 길이를 이상화된 콤 구조와 비교함으로써, 버블 헤테로제너티드(BHJ) 유기 태양전지에서 내재된 효율 제한 요인을 분석하기 위해 2차원 기하 모델을 제안한다. 이 모델은 BHJ 구조가 이상화된 콤 구조에 비해 약 50% 수준의 계면 길이에 그치며, 이는 효율 향상에 있어 근본적인 기하학적 제약이 있음을 시사한다. 이 제약은 약 13%를 넘는 효율 향상이 어려운 이유를 설명한다.

ABSTRACT

Polymer solar cells are considered as very promising candidates for development of photovoltaics of the future. They are cheap and easy to fabricate, however, up to now, they possess fundamental drawback, low effectiveness. In the most popular BHJ (bulk heterojunction) architecture the actual record of efficiency is about 13 percent. One ask the question how fundamental this limitation is. In our paper we propose the simple model which examines the limitations of efficiency by analysis of geometrical aspects of the BHJ architecture. In this paper we considered two dimensional model. We calculated the effective length of the donor-acceptor border in the random mixture of donor and acceptor nanocrystals and further compared it with an ideal comb architecture. It turns out that in the BHJ architecture, this effective length is about 2 times smaller than in the comb architecture.

연구 동기 및 목표

• 현재 빌드 헤테로제너티드(BHJ) 유기 태양전지에서 약 13%의 전력 변환 효율 한계가 근본적인 기하학적 제약에서 기인하는지 조사하기 위해.
• 랜덤한 BHJ 네트워크와 이상화된 주기적인 콩부 유사 구조 사이의 효과적 기부자-수용체 계면 길이의 차이를 정량화하기 위해.
• BHJ 재료에서의 랜덤한 상분리가 최적의 계면 면적을 이루지 못함으로써 효율을 제한하는가 평가하기 위해.
• 유기 광발전에서 BHJ 구조의 내재된 기하학적 제약을 이해하기 위한 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• BHJ 구조에서 기부자 및 수용자 상을 무작위로 혼합된 나노결정체로 나타내는 2차원 기하 모델 개발.
• 통계 기하학 원리를 사용하여 랜덤한 BHJ 네트워크에서의 효과적 기부자-수용체 계면 길이 계산.
• 기부자 및 수용자 스트립이 번갈아 배치된 주기적인 이상화된 콘부 구조와의 효과적 계면 길이 비교.
• 단순화된 주기적인 콘부 구조를 단위 부피당 최대 계면 면적의 이론적 상한선으로 사용.
• 기하 확률 및 공간 분포 분석을 적용하여 잘 정렬된 시스템에서 달성 가능한 최대 계면 길이 추정.
• 랜덤한 BHJ와 이상화된 콘부 구조 간의 계면 길이를 정량적으로 비교하여 근본적인 기하학적 제약 식별.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 랜덤한 BHJ 네트워크에서의 효과적 기부자-수용체 계면 길이는 이상화된 주기적인 콘부 구조와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 BHJ 재료에서의 랜덤한 상분리는 전하 분리에 필요한 최대 계면 면적을 어느 정도 제한하는가?
• RQ3 기하학적 제약만을 고려할 때 BHJ 시스템에서의 계면 길이 이론적 상한선은 무엇인가?
• RQ4 BHJ 태양전지에서 관측된 약 13%의 효율 한계는 구조 자체의 내재된 기하학적 제약 때문인가?

주요 결과

• 랜덤한 BHJ 구조에서의 효과적 기부자-수용체 계면 길이는 이상화된 콘부 구조에 비해 약 2배 작다.
• 이 기하학적 제약는 심지어 재료의 성능이 완벽하더라도 BHJ 구조가 이상화된 콘부 설계만큼의 계면 면적을 확보할 수 없음을 시사한다.
• 모델은 BHJ의 근본적인 구조가 계면 면적에 대한 딱딱한 상한선을 부여하며, 이는 직접적으로 전하 생성 효율을 제한함을 입증한다.
• 계면 길이가 2배 감소한 것은 기하학적 설계가 현재 BHJ 유기 태양전지의 효율 정체 현상의 핵심 요인임을 시사한다.