Harnessing solar energy is one of the promising ways to solve today’s energy problems. Among the various solar cells system, intensive research has been conducted towards the development of organic photovoltaic due to its potential for the production of low-cost, easily processible, and flexible devices with acceptable efficiency. The energy conversion process in organic solar cells has four fundamental steps in the commonly accepted mechanism : 1) Absorption of light and generation of excitons, 2) diffusion of exciton, 3) charge separation and 4)charge transport and collection[1]. And the performance is the product of four efficiency of each step. So for enhancing the efficiency of organic solar cells, we need to increase the efficiency of each step. A significant breakthrough was achieved with the advent of bulk-heterojunction system based on π-conjugated polymer as electron donor and fullerene derivatives as electron acceptors. The key parameters for efficient BHJ solar cells are three dimensional morphology of blended films, including phase separation of blends, crystallinity and orientation of polymer chain, because of the diffusion of excitons, separation and collection of charges are greatly affected by these morphologies. The size of donor and acceptor domains should be in the range of exciton diffusion length (~10nm) for efficient separation, while maintaining the bicontinuous pathway to each electrode for charge transport and collection. And the charge transport in conjugation polymer is anisotropic due to delocalized electrons along the polymer backcones and the overlap of π-orbitals. Consequently, charge transport, mobility and collection can be significantly affected by blend morphology.
In chapter 2, we investigate the blend morphology of nanopatterned P3HT:PCBM mixture films according to different process conditions of pattering procedures and its effect on the performance of organic photovoltaic cell (OPVC). The patterns were prepared by thermal and solvent assisted soft nanolithography using flexible poly(dimethylsiloxane) (PDMS) molds in order to give different pattering conditions. And the vertical and lateral phase separation of blend mixture and the crystallinity and the orientation of polymer chain were examined by various characterization methods, including atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM), dynamic secondary ion mass spectroscopy (DSIMS) and grazing incident X-ray diffraction (GIXRD). We found that blend morphologies are greatly affected by the pattering conditions which include modulus and mobility of each component and the interaction between polymer blend and mold surface during pattering procedure and the device prepared by thermal-assisted soft nanoimprint lithography(SNL) showed the highest performance due to the uniform vertical compositional distribution and enhanced vertical conformation and high crystallinity of polymer chain.
In chapter 3, we investigated that the effect of air plasma treatment on the surface of ITO substrate and its implication for the high performance PEDOT:PSS free OPVC. After air plasma treatment, the composition of ITO surface exhibited increased oxygen and decreased carbon contents. Increased electronegative oxygen content resulted in increased work function of ITO surface, yields to Ohmic contact to P3HT donor material and decreased carbon concentration resulted in the enhanced electrical homogeneity of ITO surface, leads to reduced charge trap density. These results provide the possibility of PEDOT:PSS free high performance OPVC using simple air plasma treatment. In addition to electrical property of ITO surface, we also investigated the interfacial instability between hydrophilic ITO surface and hydrophobic photoactive layer at the elevated temperature, which leads to device failure. From DSIMS data, we confirmed that this instability was greatly affected by the thermodynamic stability of polymer blend, effectively reduced via slow grown film. The slow grown film showed uniform vertical compositional distribution even after thermal annealing but the fast grown film exhibited large accumulation PCBM at the anode interface after thermal annealing. Device performance with air plasma treatment ITO and solvent assisted annealing method showed the efficiency of 3.3%, essentially equaling the performance of a device with PEDOT:PSS HTL layer. These results showed that simple air plasma treatment of the ITO surface can achieve many of the same effects as a HTL and interfacial stability between ITO surface and photoactive layer can be reduced by the slow growing methods.
유기 태양전지는 높은 공정성, 낮은 가격, 휘는 특성 등으로 인해 최근의 에너지 문제를 해결할 수 있는 차세대 에너지원으로 각광을 받고 있다. 이러한 유기 태양전지는 전자 주개 물질과 받개 물질의 계면을 최대화할 수 있는 벌크 이종접합 구조를 도입하면서 효율적인 면에 있어서 비약적인 발전을 이룰 수 있었다. 그러나 이러한 구조는 단순 이층 구조에 비해서 복잡한 블렌드 모폴로지를 가질 뿐 아니라 상분리 결정도 등의 모폴로지가 직접적으로 효율에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 고효율의 유기 태양전지를 제조하기 위해서는 벌크 이종접합 구조의 블렌드 모폴로지에 대한 이해와 제어가 매우 중요한 의미를 가진다. 따라서 본 연구에서는 표면 나노패터닝과 양극 계면의 표면 개질에 따른 블렌드 모폴로지를 연구하고 그에 따른 유기 태양전지의 효율 변화에 대해서 연구하였다.
첫번째 단락에서는 표면 나노패터닝 과정에서 유기 태양전지의 블렌드 모폴로지의 변화에 대해서 연구를 진행하였다. 유기 활성층의 두께를 증가시키지 않으면서 광흡수를 증가시키는 방법으로 나노패터닝이 많이 이용되고 있다. 표면에 나노 패턴을 도입할 경우 입사된 빛의 산란에 의해 흡수가 증가할 뿐 아니라 표면적이 넓어지는 효과에 의해 유기 태양전지의 효율을 향상하는 효과가 있다. 그러나 이러한 패터닝 과정에서 광흡수층의 유동이 발생하며 그로 인해 블렌드 모폴로지의 변화가 동반되게 된다. 따라서 본 연구에서는 열과 용매를 이용하여 유기 활성층에 나노패턴을 도입하고 패터닝 조건과 최종 모폴로지의 관계에 대한 연구를 진행하였다. 열에의한 나노임프린팅 방법에 의행 형성된 패턴의 경우 패턴 내에서는 코어셸 구조의 상분리와 vertical 한 배열이 관측되었으며 패턴을 제외한 나머지 활성층에서는 고른 수직 상분리와 edge-on 구조의 배열이 관측되었다. 그에 반해 용매에 의한 나노임프린팅 방법에 의해 패턴이 형성된 유기 활성층의 경우 패턴 내부에서는 homogeneous한 상분리와 vertical 한 배열이 관측되었으며 많은 양의 PCBM이 양극계면에 집적되어 있는 것이 확인되었다. 이러한 블렌드 모폴로지는 각각 물질의 모듈러스, 표면 에너지와 패턴과정에서의 블렌도 이동도, 몰드의 표면 특성과의 관계에 의해 형성되는 것을 확인하였다. 최종적으로 두가지 패턴된 디바이스의 효율을 측정함으로서 열에 의한 나노임프린팅 방법에 의해 형성된 패턴을 가지는 광흡수층이 최적화된 블렌드 모폴로지를 가지는 것이 확인되었다.
두번째 파트에서는 간단한 플라즈마 처리를 이용하여 ITO 표면을 개질함으로서 PEDOT:PSS 같은 정공 이동막 없이 고효율을 가지는 유기 태양전지 제조에 관한 연구를 진행하였다. 산소 플라즈마를 이용한 ITO 표면의 개질은 기존에 많은 연구가 진행된 분야로 일함수의 증가와 표면 전기적 균질성 회복에 도움이 되는 것으로 보고되어 있다. 이에 본 연구에서는 일함수의 증가를 이용해 전자 주개 물질과 저항 접촉을 형성하고 ITO 표면의 전기활성 영역을 증가함으로서 정공 이동막이 없는 유기 태양전지의 개발 가능성을 확인해 보았다. 산소 플라즈마 처리 이후 ITO 표면의 전기적 특성을 확인한 결과 일함수가 ~5eV 정도로 증가하고 전기적 균일성도 많이 회복되는 것을 확인하였다. 하지만 이러한 전기적인 특성에도 불구하고 유기 활성층과 플라즈마 처리된 ITO의 표면 에너지 차이에 의한 계면 불안정 문제에 의한 효율저하는 여전히 해결해야할 문제이다. 본 연구에서는 높은 열적 안정성을 가지는 solvent-assisted annealing 방법을 이용함으로서 열처리 과정에서 발생하는 계면의 문제를 해결할 수 있다. 이러한 두가 방법을 조합하여 형성한 디바이스의 최종 효율은 3.3% 정도로 PEDOT:PSS를 사용한 디바이스와 비슷한 효율을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
