As one of the alternative technologies for pollution-free energy production, solar cells, which convert energies from sunlight into electricity, are rapidly gaining interests with the help of corporate investment and political encouragement. In particular, organic solar cells made of organic materials have recently drawn much attention due to their inherent advantages: low material cost, ultrathin active layer, and compatibility for solution-processing and low-temp processing. A useful combination of those advantages can open a new area of applications for solar cells such as see-though type, flexible solar cells potentially at a fraction of cost which would be required with the existing technologies. Nonetheless, the highest power conversion efficiency reported to date is still in the range of 5-6%, which is still below the level desired for commercialization. In addition to the demand for higher power conversion efficiency, a recent price hike in indium requires one to develop an alternative electrode technology that can replace expensive ITO electrodes so that organic solar cells can position themselves as truly low-cost photovoltaic technologies. This thesis describes our study on using thin tungsten oxide ($WO_3$) films as an interfacial buffer layer in an effort to improve the power conversion efficiency and, at the same time, to replace ITO electrodes in organic solar cells. That is, thermally evaporated $WO_3$ films are investigated as a buffer layer on anodes to improve the performance of bulk-heterojunction solar cells based on poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM-60). Characterization of the $WO_3$ film under study shows that it is amorphous with the conductivity on the order of $10^{-6}$ S/cm and can effectively planarize an originally rough ITO surface down to the RMS roughness of 0.88 nm. Insertion of 5 to 30 nm-thick $WO_3$ layers resulted in power conversion efficiency and fill factor as high as 3.1% and 0.70, respectively, showing an improvement with a good batch-to-batch consistency over conventional cells. The observed improvement is related mainly to the relatively large shunt resistance of $WO_3$-based cells under illumination that is linked to a low carrier recombination resulting in high fill factor and open-circuit voltage. As an extension of $WO_3$ applications, this work demonstrates the versatility of $WO_3$ interlayers by presenting ITO-free organic solar cells that employ a multilayer electrode of ZnS/Ag/$WO_3$ in which $WO_3$ layers play a key role in terms of both optical and electrical properties. Optical simulation is performed to optimize the architecture of organic solar cells with the proposed electrodes and compared with experimental results.
최근 오염 없는 대체 에너지 발전으로 태양광을 전기로 변환하는 태양전지 관련 기술이 폭 넓은 산업 투자 와 정부 장려에 힘입어 크게 각광을 받고 있다. 특히, 유기물에 기반한 유기태양전지의 경우 저렴한 원자재, 초박형 두께 및 용액과 저온 공정이 가능하다는 장점으로 인해 관심을 끌고 있다. 이러한 장점들의 유용한 조합은 시-스루(See-through) 타입 플렉시블 태양전지 등과 같은 새로운 응용분야를 열 수 있으며 특히 기존 기술들 활용에 비해 비용적인 측면에서 대단히 큰 장점이 있다고 할 수 있다. 그러나 유기태양전지 분야에 보고되어진 최고 변환 효율은 약 5-6% 정도로 상업화를 위해 기대되는 수준 보다는 낮은 것이 사실이다. 이외에도 최근 인듐 공급과 가격의 불안정은 유기태양전지에서 통상 사용되는 값 비싼 ITO 전극을 대체 할 수 있는 대체 전극 기술의 개발이 절실한 실정이다. 이에 이 논문은 얇은 텅스텐 산화물 박막을 변환 효율을 향상 시키고 유기태양전지의 ITO 전극을 대체 할 수 있는 방법에 관한 내용을 담고 있다. 이를 위해 열증착된 텅스텐 산화물 박막은 P3HT 와 PCBM에 기반한 Bulk-heterojunction 형태의 유기태양전지의 성능을 개선시킬 수 있는지 확인 하였고 이에 앞서 텅스텐 산화물 박막의 물리적, 전기적, 광학적 특성을 평가하였다. 실험 결과 박막 수준의 텅스텐 산화물 삽입으로 약 3.1% 의 변환 효율과 0.70의 높은 FF를 얻었으며 특히 기존 대조군에 비해 우수한 Batch-to-batch 특성을 나타내었다. 텅스텐 산화물 응용의 연장으로, 텅스텐산화물의 전기적, 광학적 특성이 고려된 ZnS/Ag/$WO_3$ 구조를 갖는 다층박막구조의 전극을 구현하였고 박막광학에 기반한 광학 시뮬레이션을 통해 이의 특성을 예측해 보았다.
