화학교육과 이택호(사진) 교수팀이 유기 단분자의 정렬 방향에 의해 에너지준위*가 변화하는 메커니즘을 규명했다. 

* 에너지 준위(energy level): 원자, 분자 등이 가질 수 있는 일련의 불연속적인 에너지값들. 

연구팀은 유기태양전지에 사용되는 대표적인 전자 받개* 단분자인 Y6의 사중극자 모멘트(quadrupole moment)**가 큰 현상에 주목해, 이에 의해 분자 정렬에 따라 에너지준위가 크게 변한다는 연구 결과를 발표했다. 나아가, 이러한 메커니즘을 활용해 유기태양전지의 광전변환성능을 제어하는 데 성공해 향후 고성능 유기태양전지 개발이 가능할 것으로 기대된다.

* 전자 받개: 상대로부터 전자를 받기 쉬운 분자. 

** 사중극자 모멘트: 분자 내 전하 불균형으로 인해 발생하는 서로 반대 방향의 쌍극자 두 개가 있는 형태의 모멘트. 

사중극자 모멘트는 복잡한 분자 구조 내 전하의 불균일한 분포에 의해 발생한다. 따라서, 전기적으로 중립인 분자들도 분자 내부에 강한 정전기적 전위차를 유도할 수 있다. 이러한 Y6 단분자의 불균일한 전하 분포 구조는 분자 정렬 방향에 따라 에너지준위가 변하는 현상을 잘 설명한다.

최근 고효율 유기태양전지는 비풀러렌* 단분자를 전자 받개로 사용해 발전해 왔다. 이들은 종종 큰 사중극자 모멘트를 갖고 있는 것으로 나타나며, 이는 해당 소재의 에너지준위에 영향을 끼칠 가능성이 크다. 이 때문에 비풀러렌 단분자의 사중극자 모멘텀이 유기태양전지의 성능에 어떠한 영향을 끼치는지 규명하는 것이 매우 중요하다.

* 비(非)풀러렌: 풀러렌(fullerene) 구조 기반이 아닌 소재. ‘풀러렌’은 중공 구(hollow sphere) 형태의 탄소 분자.

이번 연구에서는 비풀러렌 전자 받개 중 가장 대표적인 Y6 단분자가 큰 사중극자 모멘트를 갖고 있음을 이용해 Y6 분자의 정렬 방향에 따라 에너지준위가 크게 변함을 밝혀냈다. 

Y6 단분자의 분자 구조(왼쪽-위), 정전기적 포텐셜 분포도(오른쪽-위),
박막 내 분자 정렬(왼쪽-아래), 분자 정렬 방향에 따른 에너지준위 변화(오른쪽-아래)

연구팀은 박막을 형성해 박막 내 Y6 분자 정렬 방향을 기판에 평행 혹은 수직으로 조절해 태양전지를 만들었다. Y6 분자 방향에 따라 태양전지 내 광전하의 수명 변화, 태양전지의 광전류·광전압 변화 등을 관찰해 분자의 사중극자 모멘트가 태양전지 성능에 끼치는 영향을 처음으로 규명했다. 일례로, Y6 분자의 방향을 기판으로부터 수직(out-of-plane)에서 조금 더 수평(in-plane)으로 변경하면 최대 210 meV(10-3전자볼트)에 상당하는 에너지 이동이 발생한다.

이택호 교수는 “이번 연구에서는 고효율 유기태양전지 내 분자 정렬에 의한 에너지준위 변화가 비풀러렌 단분자의 큰 사중극자 모멘트에 기인한 것임을 밝혀냈다”며 “이는 유기태양전지의 성능을 다음 단계로 끌어올릴 수 있는 기초연구가 될 수 있으며, 향후 비풀러렌 전자 받개의 분자 설계 단계에서부터 사중극자 모멘트를 조절해 유기태양전지의 광전하 생산 효율을 유지하면서 광전압을 향상할 수 있는 고효율 전략 수립이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 2018년 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 국제학술지 『Nature Communications』 4월 4일자에 게재됐다. 이택호 교수는 제1저자로서, 영국 Imperial College London 및 국내 삼성종합기술원·울산과학기술원과 국제공동연구를 수행했다. 

- 논문제목: Molecular orientation-dependent energetic shifts in solution-processed non-fullerene acceptors and their impact on organic photovoltaic performance(비풀러렌 전자 받개의 분자 정렬 방향에 따른 에너지 변화가 유기 태양전지 성능에 끼치는 영향)

- DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-37234-0

- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41467-023-37234-0 

[Abstract]

The non-fullerene acceptors (NFAs) employed in state-of-art organic photovoltaics (OPVs) often exhibit strong quadrupole moments which can strongly impact on material energetics. Herein, we show that changing the orientation of Y6, a prototypical NFA, from face-on to more edge-on by using different processing solvents causes a significant energetic shift of up to 210 meV. The impact of this energetic shift on OPV performance is investigated in both bilayer and bulk-heterojunction (BHJ) devices with PM6 polymer donor. The device electronic bandgap and the rate of non-geminate recombination are found to depend on the Y6 orientation in both bilayer and BHJ devices, attributed to the quadrupole moment-induced band bending. Analogous energetic shifts are also observed in other common polymer/NFA blends, which correlates well with NFA quadrupole moments. This work demonstrates the key impact of NFA quadruple moments and molecular orientation on material energetics and thereby on the efficiency of high-performance OPVs.

* Reference

- Author: Tack Ho Lee (Department of Chemistry Education)

- Title of original paper: Molecular orientation-dependent energetic shifts in solution-processed non-fullerene acceptors and their impact on organic photovoltaic performance

- Journal: Nature Communications

- DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-37234-0