The opto-electronic devices based on conjugated polymers with semi-conducting properties have recently attracted much attention as a promising inorganic counterparts due to their possibility of low-cost fabrication, low-weight, and mechanical flexibility. However, lower devices efficiency comes from low conductivity and non-ohmic contact between organic layers are the obstacles to be commercialized. In this point of view, the control interface structure can be a effective way to solve this problems.
In this thesis, efficient opto-electronic devices were fabricated by control of interface structures in various ways.
In chapter 2, We modified active layer-metal cathode interface in polymer solar cell by introducing nano-pores. From diffused light spectra, XRD and PL spectrum, it is found that device performance enhancement comes not from charge carrier generation of transportation change but from increased charge carrier collection by enlarging organic-electrode interface area.
In chapter 3, We modified active layer-anode interface in polymer solar cell by external light irradiation. We investigate the effect of a UV-irradiated poly(3,4-ethylene dioxythiophene:poly (styrene sulfonate)(PEDOT:PSS) buffer layer on the performance of polymer photovoltaic cells based on poly(3-hexylthiophene)(P3HT) and [6,6]-phenyl-C-61-buytyric acid methyl ester (PCBM) blends. It was found that UV irradiation can reduce the bulk and contact resistance of PEDOT:PSS films, improving the power conversion efficiency due to the lower device series resistance The work function change after UV irradiation and negligible surface morphology change was noticed.
In chaper 4, we modified electrolyte-substrate interface in dye-sensitized solar cell(DSSC) by replacing counter electrode and cathode by highly conducting polymer. Due to the low conductivity and catalytic activity, polymer applied DSSC showed poor Jsc and FF values. However, as conductivity of polymer is increased, $J_{sc}$ and FF value were approached to the conventional DSSC. We believed that this approach is promising for low-cost and flexible DSSC applications.
In chaper 5, we modified air-substrate interface by introducing close-packed hemisphere microlens array using 3D colloid self assembly as template for PDMS replica mold. Various size of micro lens array were well made without shape deformation. Microlens applied PLED shows 35% performance enhancement in forward viewing angle, and EL spectra is unchanged by viewing angle. These properties make this simple and cost-effective method for increasing light out-coupling attractive for lighting and displays.
전도성 고분자의 반도성 성질에 기초한 광전자 소자는 쉬운 공정 및 유연성,저가 공정 등에 장점으로 인해 무기물에 기초한 전통적 소자의 대체물로서 크게 각광받고 있다. 그러나, 금속에 비해 낮은 전도 특성과 비옴익(non-ohmic) 접촉 특성으로 인한 효율 저하로 인해 상업화에 어려움을 겪고 있는 실정이다.
이에 본 연구에서는 광전자소자의 계면 구조 변환을 통하여 이러한 문제들을 해결해보고자 하였다.
제2장에서는 고분자 태양전지의 활성층과 금속 양극사이의 계면에 나노 사이즈의 구멍들을 생성시켜 두 계면간의 계면 면적을 증가시킴으로써 전하운반자의 손실을 줄이고자 하였다. Diffused light 측정 결과, 나노구멍들의 사이즈가 입사되는 빛의 파장에 비해 매우 작아 산란자로 작용하지 못하면서 광산란에 의한 광흡수 특성에 영향을 주지 않는 것이 관찰되었고, X-ray 회절 및 광발광 스펙트럼 측정을 통해 나노구멍 생성을 위해 첨가한 AIBN 으로 인한 전자주게 물질의 배열에 방해를 받아 전도 특성이 감소하는 것을 관찰하여 소자 특성의 증가는 계면 면적 증가로 인한 전하운반자의 집합 특성 변화에 의한 것임을 확인할 수 있었다.
제3장에서는 고분자 태양전지의 음극 및 계면에 외부광(UV)을 조사함으로써 버퍼층으로 사용되는 PEDOT:PSS 층의 특성 변화를 관찰하였다. 외부광 조사에 의해 버퍼층의 벌크 및 계면 저항 감소가 관찰되었으며 이로 인한 전하전달자 손실의 저하로 효율이 향상되는 것을 확인하였다. 외부광 조사로 인한 버퍼층의 표면 변화는 무시할만하였으며 일함수 변화 또한 소자 특성에 영향을 미치는 수준은 아니였다.
제4장에서는 염료감응형 태양전지에 전해질과 유리기판사의 계면에 존재하는 카운터 전극과 양극을 고전도성 고분자로 대체해 계면 구조를 개질하였다. 일반적 구조에 사용되는 플래티넘과 FTO에 비해 낮은 전도성 및 촉매 특성으로 인하여 높은 시리즈 저항과 낮은 효율이 관찰되었지만, 고분자 물질의 전도성을 높여갈수록 전류 및 곡선인자(FF, fill factor)를 회복해 가장 높은 전도성을 가지는 소자의 경우 일반적 구조의 소자와 유사한 광효율 특성을 보였다. 이는 추후 저가의 유연한 염료감응형 태양전지에로 응용될 수 있으리라 기대된다.
제5장에서는 고분자 발광소자의 공기 및 유기기판과의 계면에 자기조립된 3차원 구조체를 기판으로 사용해 생성한 마이크로 렌즈 배열을 도입해 계면 구조를 개질하였다. 다양한 크기의 3차원 자기조립 구조를 이용해 기계적 물성이 우수하며 굴절율 조절이 가능한 렌즈 배열을 제작할 수 있었고, 이러한 렌즈가 적용된 소자는 전반부 광수득율이 약 35% 증가되는 효과를 보였다. 시야각의 변화에 따른 색변화는 없었으며, 렌즈 크기가 증가할 수록 헤이즈(haze) 증가로 인해 전면부보다 측면부에서 광수득율 향상이 두드러 지는 것을 관찰할 수 있었다.
