Photovoltaic devices based on polymer materials for renewable electrical power and sustainable energy have been the target of research worldwide and substantial progress in numerous aspects. There are many advantages of polymer solar cells such as low cost, light weight, large area, mechanical flexibility and easy to process ability.
The aforementioned factors influence the efficiency of photovoltaic cells, the absorption spectrum of the active layer, the morphology, donor and acceptor’s HOMO and LUMO level, film morphologies, charge carrier mobility and the work functions of electrodes. Also the performance of polymer solar cells has been improved by using new materials and new structure in devices.
Improvement of the photovoltaic efficiency via exposure of organic poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) devices to Li:Al cathode and solvent swelling treatment are reported here. The organic solar cells with Li:Al alloy cathode are effect to the increased Jsc for may be attributed to the improved contact at the cathode interface and therefore the electron transport is improved. It measured by UPS, XPS, and dynamic-SIMS. And also we have demonstrated that solvent swelling treatment of P3HT:PCBM film leads to a marked increase in the ordering of P3HT as observed by AES, UV-vis absorption spectra, and AFM.
화석연료가 고갈되어가면서 미래 대체에너지 개발의 중요성이 대두되고 있다. 태양광 발전은 가장 활발하게 연구되고 있는 분야 중 하나라고 할 수 있다. 태양광 발전을 위해서는 태양에너지를 효율적으로 전기 에너지로 전환 하는 기술이 필수적이다. 또한 태양전지를 제작하는 제조 단가를 낮추는 기술개발도 함께 이루어져야 할 것이다. 태양 전지의 종류에는 크게 무기물을 이용한 태양전지와 박막형 태양전지, 그리고 반도체 고분자나 유기물 등을 이용한 태양전지로 나누어볼 수 있다.
그 중에서도 고분자 태양전지는 제조상의 간편함은 물론 낮은 제조 비용과 유연함, 가벼운 무게로 경량화가 가능하다는 등의 많은 이점을 가지고 있기 때문에 현재 많은 연구가 진행되고 있는 분야이다. 물론 기존의 무기 태양전지에 비해 낮은 에너지 전환 효율이 문제시되고 있지만, 이 부분에 있어 유기 태양전지에 새로운 물질과 기술을 도입하여 효율을 보다 증대 시킬 수 있다면 이미 경제성과 재료상의 수급에 한계를 보이고 있는 무기 실리콘 재료의 문제를 극복하는 차원에서 유기 태양전지의 개발은 매우 중요하다고 볼 수 있다.
본 논문에서는 고분자 태양전지에서 흔히 쓰이는 전극인 Al 대신 Li:Al 합금을 사용하는 방법과 고분자 필름 표면에 용액처리를 하는 두 가지 방법을 사용하여 고분자 태양전지의 효율을 높이는 방안을 연구하였다.
첫째, Li:Al 합금은 리튬과 알루미늄이 서로 다른 녹는점과 원자량을 지녔기 때문에 열 증착 법을 사용하였을 때, 리튬이 먼저 이온화 되어 고분자의 표면에 붙게 된다. 이러한 현상을 이용하여 일함수가 낮은 리튬이 상대적으로 먼저 고분자 표면에 붙게 되면서 고분자와 전극 표면의 일함수가 낮아지는 효과를 주어 전극이 전자를 모으는데 있어 장벽을 줄이는 기능을 하게 된다. 이로써, 태양전지의 단락 전류 $(J_{sc})$ 를 높여주어 전자가 보다 쉽게 전극으로 전달 되는 효과를 가지며 시리즈 저항도 줄어들어 종합적으로 효율이 높아지는 결과를 가져오게 된다.
두 번째로, 태양전지의 고분자 활성 층의 표면에 Acetonitrile 용액을 이용한 Swelling 처리를 해 줌으로써 고분자 필름의 결정성을 강화 시키는 방법에 대한 연구를 진행하였다. 고분자 필름에 용액처리를 해 줌으로서 그 용액이 고분자 필름 사이로 들어가 부풀게 되면서 P3HT:PCBM 혼합 필름의 결정성을 높여주어 보다 잘 정열 된 형태의 P3HT 구조를 가지게 되는 역할을 하여 필름의 rms 값이 증가함을 확인 하였다. 또한 이러한 방법으로 제작한 태양전지의 경우 용액처리를 해 주고 소자를 제작한 후에 열처리를 통하면 결정성이 더 강화되고 P3HT의 빛 흡수율이 높아지는 것을 볼 수 있었다. 결과적으로 개방전압과 단락전류가 모두 높아지며 고분자 필름의 거친 표면 때문에 알루미늄과의 접촉 역시 우수해 지므로 효율의 증대를 가져오는 것을 확인 할 수 있었다.
