유기태양전지 전격 해부하기 - 실험편(1) ; active layer 제작!!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

이 번 기사는 앞서 배웠던 이론을 토대로 고분자 유기태양전지의 active layer를 만들어보도록 하겠습니다. 막연히 글만 읽고 알기란 어려운 내용이므로 직접 실험을 통해 알아봅시다. 자, 그럼 출발~. ^^

* 더 좋은 효율을 위해서,,!!

엑시톤의 이동거리 한계로 active layer를 이중층 구조(bi-layer) 대신 헤테로 구조(bulk-heterojunction layer)로 만들어야 합니다. 이 때, 도너재료와 억셉터재료를 유기 용매에 녹여 섞은 후 '흔들흔들~~' 블랜드 시켜주죠.

그럼 최적의 active layer 재료는 무엇이었죠? 이 것은 마치, 여러가지 맛 중 맛난 아이스크림 맛 두 가지를 고르듯, 다양한 material 중 최적의 효율을 보이는 두 개를 고르면 됩니다. 답은, 도너 재료로는 P3HT 맛, 억셉터 재료로는 PCBM 맛을 고르면 됩니다!! 

여기서 잠깐,,,!

도너재료인 P3HT를 녹이는 용매는요? 네, 클로로벤젠이구요, 그럼 억셉터재료인 PCBM을 녹이는 용매는요? 네, 역시 같은 클로로벤젠죠. 즉, P3HT와 PCBM을 녹이는 용매가 클로로벤젠으로 같으므로 한 방에 이 두 재료를 녹여 썩어 흔들어 버리면 게임 끝이죠.!!  

 

* 과연, P3HT, PCBM 어떻게 생겼나?

우리가 얘기했던 P3HT과 PCBM의 분자구조는 아래와 같습니다.

                

     <좌 : 도너재료 P3HT , 우 : 억셉터재료 PCBM (출처 :구글 이미지)>

 그런데 실물이 궁금하다구요?? 

   그래서 준비했습니다.

아래의 사진은 실제의 P3HT와 PCBM을 보여주고 있어요. 보시는 것처럼 둘다 갈색병에 들어있는데요, 광을 받아 활성을 띠는 물질인만큼 빛을 차단하기 위해 꽁꽁 싸매고 있죠! 병에 붙어있는 라벨을 보시면, 왼쪽 병라벨에는 P3HT의 분자 구조를 보실 수 있고, 고분자 full name 역시 적혀 있네요. 이로써 왼쪽 재료가 P3HT임을 알 수 있습니다. 또, 오른쪽 사진의 병 아래를 자세히 보시면 C60, 그리고 PCBM이 적혀 있는 모습을 보실 수 있을 겁니다. 그래서 오른쪽 사진으로 우리는 이 것은 PCBM임을 알 수 있습니다. 하지만, PCBM은 C60(플러렌)과 다르답니다.!! 축구공 모양의 C60인 플러렌이 대칭구조로 유기용매에 잘 녹지 않으므로. 우리는 축구공에 가지를 붙여, 그 유도체를 만듦으로써 유기용매에 녹힐 수가 있습니다. 맨 위의 분자 구조처럼, PCBM은 축구공 C60에 가지를 붙여놓은 모습임을 보실 수 있습니다.

 

   

(좌: P3HT, 우: PCBM)

여기서 각각 P3HT:PCBM = 6:4의 비율로 무게를 덜어냈습니다. 참고로, P3HT는 레지오레귤리티라고 해서 스스로 규칙적으로 배열되는 특성이 있는데요, 여기에 PCBM이 비집고 들어가면서, 규칙성이 깨지게됩니다. 즉, X:Y비율에서 Y인 PCBM의 양이 많아질수록 효율이 떨어지게 되는데요, 이 때, 보통 3:2 비율에서 최적의 비율 조합을 나타내고 있습니다. 3:2 비율일 때, 실제적인 숫자로 예로 들면, P3HT : PCBM = 0.04g : 0.024g (클로로벤젠 1ml에 녹일 때)로 제작하면 되겠죠.

이젠 무엇을 할까요? 네, 바로 클로로 벤젠을 넣어주는 것이죠. (여기서 잠깐, 서로를 녹일 수 있는 용매가 달랐더라면, 도너재료와 억셉터재료 각자를 먼저 자신을 녹일 수 있는 용매에 녹인 후, 일정 비율로 섞어 주었겠죠..!).

짠~ 사진 뒤에 빨간 뚜껑을 가진 갈색병은 바로 그 유명한, 클로로벤젠 입니다! 피펫으로 1ml를 손에 들린 갈색병에 넣을 꺼에요. (이 때, 클로로벤젠은 해골이 그려진 엄청난 독성물질이니 조심하셔야 되요.)

< 손: P3HT와 PCBM을 넣은 갈색병, 뒤: 클로로벤젠>

위의 왼쪽에 제가 들고 있는 조그만 갈색병은, 위에서 덜었던 P3HT와 PCBM을 함께 담은 거에요. 바로 그 안에 클로로 벤젠만 넣으면 되요. 보시는 것처럼 아직 P3HT와 PCBM, 서로 잘 섞여져 있지 않는 것 보이시죠? 그러니 유기 용매를 넣어줘야겠죠..! 

자, 덜어넣었습니다. 그럼 갈색병 안은 어떻게 될까요...?

짠~~~  아래 사진과 같이~~ P3HT와 PCBM이 클로로벤젠 아래 서로 녹아있는 모습을 보실 수 있을 꺼에요. 하지만, 완전 다 녹은 건가요,,,? 아마도, 미시세계서 보면 큰 바윗돌처럼 아직 클로로벤젠에 녹지않은 덩어리들이 있을꺼에요. 그래서 '스터링 바' 갈색병 안에 넣고 더  확확~ 저어줄 꺼에요. 그럼 서로 골고루 blend가 되겠죠..!

<클로로벤젠에 녹인 P3HT, PCBM; 아직 잘 안녹아있다.>

갈색병 안의 '스터링 바(자석)'는 핫플레이트 안에 있는 자석과의 자력에 의해 빙글빙글 돌게되요. 그럼 갈색병 안 내부는 제가 직접 손으로 저어 주지 않더라도, 골고루 섞이는 것이겠죠. 아래 사진에 제가 집게로 들고 있는 흰색의 조그마한 게 바로 스터링 바인데요, 이것을 갈색병 안에 퐁당 넣고, 핫 플레이트의 자성을 2단계로 설정한 후, 4시간 동안 저어줄 꺼에요. 물론, 은박지로 휘감은 비커안에 갈색병을 넣구요(햇빛 차단). 

 

                                                               <스터링바를 넣어주고, 4시간동안 저어줌>

 

 그럼 4시간 후에 어떻게 되어있을까요?

          

                                                       <클로로벤젠에 골고루 섞인 P3HT와 PCBM active layer>

Wow!! 미세하고 고루 잘 섞인 active layer 층을 만들어졌군요! 이제 이 것을, 유기태양전지 제조시, active layer층으로 깔고, 필요없는 클로로벤젠은 열처리로 날려보내면 되는 것이죠. 우리는 이 것을 다시, 곧 올라올 기사인 '유기태양전지 전격 제조' full 버젼에서 유기태양전지 제조시 쓸 예정입니다. 기대해 주세요. ^^ 

 

 

 

 

 

S.F. JH