고체형 유기 태양전지의 광전변환 특성 향상에 관한 연구 = Enhancement of photovoltaic characteristics in solid-state organic solar cells
저자
발행사항
서울 : 한양대학교 대학원, 2007
학위논문사항
학위논문(석사)-- 한양대학교 대학원 : 화학과 2007. 2
발행연도
2007
작성언어
한국어
발행국(도시)
서울
형태사항
xi, 71 p. : 삽도 ; 26cm.
일반주기명
국문요약 : p. x-xi
Abstract : p. viii-ix
참고문헌 : p. 65-68
소장기관
본 연구에서는 전자 전달에 의한 빛 에너지가 전기 에너지로 변환하는 메커니즘의 플라스틱 유기 태양 전지와 염료 감응형 태양 전지 분야에서 연구를 진행하였다.
첫 번째 연구는 MDMO-PPV와 PCBM을 사용하는 고체 형 플라스틱 유기 태양 전지의 소자에서 정공 수송 층으로 사용되는PEDOT:PSS에서 황산기로 인해 소자가 산성화되어 활성층(MDMO-PPV/PCBM)이 점차 변형되어 소자의 안정성이 떨어지는 것을 막고 PEDT:PSS의 낮은 LUMO 준위로 인해 MDMO-PPV에서 빛에 의해 생성된 전자가 PCBM으로 전달되지 않고 PEDT:PSS로 이동하여 정공과 만나 재결합함으로써 전자의 흐름이 나빠지는 Charge recombination (전하의 재결합)을 막을 수 있는 전자 차단층(Electron blocking Layer)으로써 TFB를 도입하였고 또한 활성층과 같은 용매를 사용함으로 인해 EBL이 활성층의 코팅 과정에서 녹아나는 문제를 열처리를 통해 해결하였고 자외-가시선 흡수 스펙트럼으로 이를 증명하였다. 이 층의 도입으로 소자의 JSC가 0.83 mA/cm2에서 1.19mA/cm2로 증가하였고 전하 이동 특성이 향상되는 것을 간접적으로 확인 할 수 있었다. 또한 예상외로 VOC가 0.82 V에서 0.90 V로 증가하는 것도 확인 하였는데 이는 띠 간격이 큰 HTL의 적용으로 페르미 준위가 새롭게 형성된 결과라 생각 할 수 있다. 이러한 소자의 특성 향상은 결과적으로 전체적인 소자의 효율을 약 11%가량 증가 시켰다.
두 번째 연구는 활성층에서 생성된 전자의 수명이 짧아 전자가 효과적으로 전극을 통해 빠져나가지 못하고 재결합되어 소자의 효율이 감소하는 문제를 개선하기 위해 전자의 수명을 증가 시킬 수 있는 인광 재료를 도핑하였다. 인광 재료는 빛에 의해 일중항으로 여기된 전자를 계간 교차(Intersystem crossing)에 의해 삼중항 상태로 여기 시키기 때문에 전자가 보다 안정되어 긴 수명을 유지하게 된다. 이 실험 역시 첫 번째와 같은 특성 분석 결과 인광 재료인 Red dye가 도핑되지 않은 소자에 비해 34%가량 소자의 효율이 향상되었고 IPCE에서 증가된 전류를 통해 결과를 뒷받침 해 주었다. 또한 실제로 전자가 어떤 경로를 통해 전극으로 이동하는지를 추적하기 위해 인광 물질과 MDMO-PPV의 농도에 따른PL을 측정한 결과, Red dye의 농도가 높아짐에 따라 MDMO-PPV의 PL 피크가 감소하고 Red dye의 PL 피크가 급격하게 증가하였다. 이는 MDMO-PPV의 전자가 Red dye로 전이됨을 확인한 결과이다.
마지막으로 세 번째는 염료 감응형 태양 전지의 염료에 광중합을 이용하여 정공 수송 층의 역할을 할 수 있는 Thiophene을 중합하였다. 광중합의 원리는 전기 중합과 매우 유사하여 전류가 흐를 수 있는 회로를 구성하고 외부에서 전류를 공급하는 대신 빛을 조사시킴으로써 여기된 전자가 회로를 통해 전류의 흐름을 만들고 중합이 진행된다. 이러한 중합의 결과는 순환 전압-전류법을 통해 Thiophene의 중합된 피크를 확인하였다. Thiophene의 중합으로 HTL이 적용된 태양전지 소자를 구성하였고 액체 전해질을 사용하는 소자에서는 약 19%의 효율 증가를 확인 할 수 있었으며 젤 전해질을 적용한 소자에서는 13%의 효율 향상을 확인 할 수 있었다.
The main object of this thesis is bulk heterojunction organic solar cell and dye sensitized solar cell devices that exchange light to electronic energy by Electron Transfer.
First, efficiencies of bulk heterojunction solar cells based on a combination of a conjugated polymer and a fullerene are still need to be improved for commercial use. For improving performance of a bulk heterojunction solar cell, we need variation methods for increase light absorbance, increase electron transfer efficiency or decrease internal resistance of the device. Bulk heterojunction solar cells are using PEDT:PSS for hole transport layer(HTL). This material have a sulfur group and it makes a sulfuric acid. Active layer of device will be destroyed by acid and device lifetime is decrease. Moreover, PEDT:PSS have a low band gap and LUMO level. So excited electrons by photons in MDMO-PPV are not going to PCBM perfectly and some electrons are flow to PEDT:PSS. It is the one of main reason of low efficiency because the movement of electron to PEDT:PSS can meet a hole and make a charge recombination. In this report, we layering the TFB between PEDT:PSS layer and active layer for able to electron block and improve dissolving resistance of TFB by chlorobenzene through the heat treatment. It result make sure the Uv-Vis absorption spectrum. Performance of bulk heterojunction solar cells has improved short circuit current (JSC, 0.83 mA/cm2 to 1.19mA/cm2) and open circuit voltage (VOC, 0.82 V to 0.90 V). These results were enhanced efficiency of device, 11%.
Second, Red dyes (phosphorescent metal complex) are used to improve the performance of bulk heterojunction solar cells based on MDMO-PPV and PCBM. Doped Red dyes gives a long electron life time due to Electrons of more stable triplet spin state. For select of suitable materials to this concept, we measure the cyclic voltammetry and UV-Vis absorption spectroscopy. It used to calculate of the HOMO, LUMO and band gap. The electrochemical result is -5.41 eV of HOMO, -2.89 eV of LUMO and 2.52 eV of band gap. And PL spectrums were measured for the observation of quenching effect by electron transfer. As a result, we made sure that an enhancement of the photocurrent density, JSC and efficiency of the photovoltaic cells using I-V measurement under light illumination. An overall device performance has improved 34%.
Finally third, we applied a hole transport layer (HTL) in dye sensitized solar cell. Material for HTL is poly thiophene that polymerized by light. Photo polymerization is similar electro polymerization but it uses a photon instead outside current. Photo polymerization result confirmed cyclic voltammatry and Atomic force microscopy (AFM). DSSC devices include HTL shows 19% and 13% improved performance in liquid electrolyte and quasi solid electrolyte.
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