연구자들은 분자 상호작용을 개선하기 위해 측쇄 공학을 사용하는 방법을 개발함으로써 고분자 태양전지 기술에서 상당한 진전을 이루었습니다. 이 접근 방식은 독성 할로겐화 처리 용매의 필요성을 제거하여 배터리 효율성과 안정성을 향상시킵니다. 이 연구는 OEG(올리고에틸렌 글리콜) 기반 측쇄의 장점을 강조하고 웨어러블 장치에 더 적합한 친환경적이고 효율적인 태양 전지를 향한 핵심 단계를 나타냅니다.
고분자 태양전지는 가볍고 유연성이 뛰어나 웨어러블 기기에 이상적입니다. 그러나 생산 과정에서 요구되는 독성 할로겐화 용제는 광범위한 사용을 방해합니다. 이러한 용매는 태양전지의 매력을 제한하는 환경 및 건강 위험을 초래합니다. 불행하게도 독성이 덜한 대체 용매에는 동일한 용해도가 부족하므로 더 높은 온도와 더 긴 처리 시간이 필요합니다.
이러한 낮은 효율은 고분자 태양전지의 적용을 더욱 방해합니다. 할로겐화 용매를 사용하지 않고 개발된 방법은 유기 태양전지의 효율을 크게 높여 웨어러블 기술에 더욱 적합하게 만들 수 있습니다.
최근 발표된 논문에서 연구자들은 측쇄 엔지니어링을 사용하여 폴리머 공여체와 소분자 수용체 사이의 분자 상호 작용을 개선하여 할로겐화 처리 용매의 필요성을 줄이는 방법을 설명합니다.
이 논문은 최근 NanoResearch Energy에 게재되었습니다.
김윤희 경상대학교 교수는 “고분자 공여체와 저분자 수용체의 혼합 형태는 분자 상호작용에 크게 영향을 받는데, 이는 공여체와 수용체 물질 사이의 계면 에너지에 의해 결정될 수 있다. 표면 장력 값이 유사할 때 공여체와 수용체 사이의 계면 에너지와 분자 상호작용이 더 유리할 것으로 예상된다”고 김윤희 경상대학교 교수는 말했다. "고분자 공여체의 친수성을 강화하고 분자의 탈수혼성화를 줄이기 위해 측쇄 공학이 실행 가능한 접근 방식이 될 수 있습니다."
사이드체인 엔지니어링의 역할
측쇄 공학에는 측쇄라고 불리는 화학 그룹을 분자의 주쇄에 추가하는 작업이 포함됩니다. 측쇄의 화학 그룹은 거대분자의 특성에 영향을 미칠 수 있습니다. 연구진은 OEG(올리고에틸렌 글리콜) 기반 측쇄를 추가하면 측쇄에 있는 산소 원자 덕분에 폴리머 공여체의 친수성이 증가할 것이라고 추측했습니다. 친수성 분자는 물에 끌립니다.
고분자 공여체와 소분자 수용체의 친수성의 차이는 이들의 상호 작용에 영향을 줄 수 있습니다. 폴리머 공여체의 친수성이 증가하고 소분자 수용체와의 상호 작용이 향상됨에 따라 비할로겐화 처리 용매를 태양 전지 성능에 영향을 주지 않고 사용할 수 있습니다. 실제로 벤조디티오펜 고분자 공여체에 OEG 측쇄를 부착한 고분자 태양전지는 15.6%보다 높은 17.7%의 전력 변환 효율을 보였다.
효율성과 안정성 향상
결과를 비교하기 위해 연구진은 OEG 측쇄, 탄화수소 측쇄 또는 50% 탄화수소 측쇄와 50% OEG 측쇄를 갖춘 벤조디티에닐 중합체 공여체를 설계했습니다. "이것은 할로겐화되지 않은 용매로 처리된 고분자 태양전지의 하이브리드 형태와 성능에 대한 측쇄 공학의 영향을 보여줍니다"라고 Kim은 말했습니다. "우리의 결과는 친수성 OEG 측쇄를 가진 폴리머가 소분자 수용체와의 혼화성을 향상시키고 비할로겐화 공정 동안 폴리머 태양전지의 전력 변환 효율과 장치 안정성을 향상시킬 수 있다는 것을 보여줍니다."
OEG 측쇄를 갖춘 고분자 태양전지는 전력 변환 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 열 안정성도 더 높습니다. 열적 안정성은 고분자 태양전지를 확장하는 데 중요하므로 연구진은 이를 섭씨 120도까지 가열한 다음 전력 변환 효율을 비교했습니다. 120시간 동안 가열한 결과, 탄화수소 측쇄를 포함하는 고분자는 원래 전력 변환 효율의 60%에 불과하고 표면 불규칙성을 보인 반면, 탄화수소와 OEG가 혼합된 폴리머는 원래 전력 변환 효율의 84%를 유지했습니다.
"우리의 연구 결과는 비할로겐화 용매 처리를 사용하여 효율적이고 안정적인 폴리머 태양 전지를 생산하기 위한 폴리머 도너를 설계하는 데 유용한 지침을 제공할 수 있습니다"라고 Kim은 말했습니다.
참고문헌: 서수덕, 박준영, 박진수, 이승진, 최도영, 김윤희, 김범준은 2023년 7월 24일 "Nano Research Energy"에 "친수성 측쇄 폴리머 도너는 비할로겐화 용매 처리를 통해 효율적이고 열적으로 안정한 폴리머 태양전지를 가능하게 한다"라는 논문을 발표했습니다.
doi:10.26599/nre.2023.9120088
컴파일된 소스: ScitechDaily