Organic solar cell is of increasing interest due to the possibility of its low cost manufacturing with simple process. Especially, bulk hetero-junction (BHJ) solar cells with the blend of the polymer and fullerene derivatives based on solution process are the most promising organic photovoltaic device for flexible, large area applications. However, the better efficiency and stability are still required for commercialization. This thesis contains the study on the improvement of power conversion efficiency and environmental stability of organic solar cells.
For systematical research, first, author has studied about the photo-degradation mechanism of organic solar cell and diode. The effects of interlayer and annealing on the retardation of the degradation are investigated. Second, the spatial distribution of the optical field in organic solar cells is calculated to predict the optimum structure of the device. Third, inverted structures based on alkali metal compounds and metal oxides are reported. Comparing the conventional structure, the inverted organic BHJ solar cells show the enhanced efficiency as well as improved stability. To get the further performance of organic solar cells, CdSe quantum dot layer is inserted as an N-type buffer layer, which enhances the electron extraction and increases the stability. Finally, the author introduces the concept of new device with ideal junction structure and expects the future of organic solar cells in this thesis.
본 연구는 유기 태양전지의 효율을 증가시키고, 수명을 향상하기 위한 구조 및 제조 방법에 대해 제안 하고 있다. 유기박막 태양전지는 기존의 실리콘, 무기질반도체화합물 태양전지에 비해 전력변환 효율은 다소 낮지만, 매우 가볍고, 유연하며, 기계적인 충격에 강하다. 또한 용액공정에 적합하여, 저렴한 가격으로 대면적의 태양전지를 생산할 수 있는 장점이 있다. 이러한 특징들 때문에 새로운 재료 및 구조들이 활발하게 제안되고 있으며, 가장 빠른 증가 추세와 함께 단일 접합 소자에서 5~8%의 전력 변환 효율을 보이고 있다.
하지만, 유기 태양전지는 상용화에 있어, 전력 변환 효율뿐만 아니라, 외부 환경에 의한 열화 및 수명이 큰 문제가 되고 있다. 따라서 본 논문에서는 우선 유기태양전지에 관한 체계적인 연구를 위해 빛의 조사에 의한 기본적인 유기 태양전지의 열화 메커니즘에 대해 규명하였다. 그리고 LiF와 같은 중간기능층(interlayer)을 삽입함으로써, 전극재료인 Al의 확산 등에 의한 열화 현상이 완화됨을 보였으며, 또한 열화된 태양전지에 대한 열처리를 통해 유기태양전지의 특성을 부분적으로 회복시킬 수 있음을 발견하였다. 이는 열에 의한 유기 반도체 재료 간의 내부 구조 및 물성의 변화가 그 원인 인 것으로 확인되었다.
두 번째로, 이론적 시뮬레이션 툴을 활용하여, 재료와 구조에 따른 소자의 광학적 특성을 예측함으로써 보다 체계적이며, 효율적인 연구를 추구하였다. 유기 태양 전지를 구성하는 기판, 전극 재료, 중간기능층 및 광활성층(active layer)에 대한 광학적 물성을 UV-VIS absorption, ellipsometry등을 측정하여 정리하였다. 이러한 정보를 바탕으로 각 물질을 이용하는 경우의 적합한 소자 구조를 예측, 비교할 수 있었다.
본 논문에서 주로 연구 되어진 향상된 유기 태양전지의 구조는 인버티드 구조(inverted structure)이다. 금속 산화물 (MoO3, WO3, SnO2, ZnO, TiOx…)과 알카리 금속 화합물 (Cs2CO3, Ba2CO3…)를 이용한 인버티드 구조를 가지는 유기 태양전지는 기존의 물질 및 구조를 가지는 유기 태양 전지에 비해 전력 변환 효율 및 수명이 크게 증가하였다. 얇은 금속 산화물 박막은 그 두께에 따라 기판의 일함수를 점진적으로 변화시킬 수 있기 때문에, 다양한 광활성층에 대해 쉽게 고유의 에너지 준위를 맞춰 줄 수 있는 범용성을 가지고 있다.
보다 향상된 인버티드 유기 태양전지를 제작하기 위해, CdSe quantum dot과 같은 무기 반도체층을 적용하였다. 적합한 에너지 준위와 보다 빠른 전하 이동도를 가지는 중간기능층을 통해 보다 향상된 곡선인자(FF)와 개방전압(VOC)을 가지는 유기 태양전지를 제작할 수 있었고, 또한 이는 작은 알카리금속의 확산을 막아주어 수명도 향상시킬 수 있었다. 또한 박막의 형성 및 Cs-diffusion에 관한 내용을 TEM-EDS 분석을 통해 직접적으로 증명하였다.
마지막으로 유기 태양전지가 가져야 할 궁극적인 구조 대해 제안 하였으며, 직접 소자를 제작해 가능성을 확인하였다. bulk-heterojunction구조와 bi-layer 구조의 각각의 장점을 동시에 가질 수 있는 구조를 간단한 방법을 통해 형성할 수 있는 방법에 대해 연구하였다.
이러한 연구들을 통해 보다 향상된 효율과 수명을 가지는 유기 태양전지는 빠른 시일 내 이동통신기기 및 군사용으로 유용하게 사용되어질 것으로 예상된다.
