High efficiency and air-stable of bulk heterojunction (BHJ) structured organic solar cells (OSCs) were fabricated using a gas-assisted spray (g-spray) method that can be adapted to large-scale high-throughput continuous production. A facile and effective external treatment method for controlling the morphology of BHJ-OSCs using a g-spray technique was demonstrated. The bulk film morphology and internal nanomorphology of the active layers were well manipulated using a sprayed solvent overlayer (SSO) treatment. The efficient nanomorphology evolution which is a prerequisite for obtaining high performance of OSCs could be realized by SSO. The SSO treatment was a simple and rapid process that could be carried out at room temperature, unlike conventional external treatment methods such as solvent- or thermal-assisted treatment.
In addition, the SSO treatment is a practical method to improve the performance of polymer based organic thin film transistors (OTFTs). After sprayed P3HT active layers were subjected to SSO treatment, the charge mobility of the devices was enhanced by an order of magnitude as a result of preferential chain re-arrangement. Even though the as-sprayed P3HT active layer has a low crystallinity without a particular chain ordering due to the rapid drying of solvent during film formation, SSO treatment can re-arrange the P3HT chains into the preferentially edge-on orientation. The orientation direction of P3HT was controlled to be an edge-on dominant orientation that is preferential for charge transport after SSO treatment.
Finally, based on the skill of optimizing photoactive layers via spray technique, high performance air-stable full sprayed OSCs were demonstrate. Sol-gel derived ZnO solution was employed to an electron-transporting layer (ETL) because sol-gel method is really suited to the solution process. ZnO crystalline has an anisotropy charge transport direction depending on crystal growth direction which varied with the thermal annealing condition. The thermal annealing conditions also afforded the different surface morphology of sol-gel derived ZnO thin films. Additionally, the surface morphology of ZnO films was also affected by the amount of residual solvent. The ripple-like structured ZnO ETLs was successfully realized by controlling the solution feeding rate for g-spray method and thermal annealing condition and high performance and air-stable OSCs was achieved by g-spray technique.
본 연구는 대면적 연속공정이 가능한 가스 스프레이 방법을 이용하여, 고효율, 고안정 벌크헤테로 구조의 유기박막 태양전지를 제조하였다. 매우 간단하고 효과적인 후처리 공정을 가스 스프레이 방법을 통해 구현하였다. Sprayed solvent overlyer (SSO)라고 명명한이 후처리 공정은 가스 스프레이로 제조된 광활성층의 벌크와 나노 모폴로지를 탁월하게 발달시켰다. 효과적인 나노 모폴로지의 발달은 고효율 유기박막태양전지의 전제 조건이 되는데, 상온공정인SSO 방법이 이러한 나노 모폴로지를 매우 간단하고 빠르게 발달시킨다.
이와 더불어, SSO 후처리 공정은 유기박막트랜지스터의 성능을 향상시킬 수 있다. SSO 처리 후, 가스 스프레이를 통해 제조된 P3HT 층의 전하 이동도가 증가하게 되는데, 이는 전하 이동구간인 P3HT 층의 결정성과 우선배향성이 향상됨으로써 가능해진다. 가스 스프레이를 통해 제조된 P3HT 층은 매우 빠른 용매 건조를 통해 제조 되므로, 매우 낮은 결정도와 특별한 분자 체인의 배향성이 없게 된다. SSO 방법은 이렇게 무작위로 배열된 P3HT 분자가 뭉쳐있는 전하 이동층의 P3HT 분자가 열역학적으로 안정한 상태에 도달할 수 있도록 필름의 연속성을 유지한 상태에서 필름을 녹이게 되고, 결국 edge-on 방향으로 우세한 P3HT 결정을 배향시켜 전하 이동에 유리하도록 가스 스프레이를 통해 제조된 필름을 변화시키게 된다.
마지막으로, 높은 효율의 고안정성 유기박막태양전지를 스프레이 방법으로 제조하였다. 솔-겔 방법은 용액공정이 가능하므로, 이를 전자 수송층 제조를 위한 스프레이 방법에 적용하여 보았다. 광학적 전기적 성질이 우수한 ZnO는 솔-겔 방법을 통해 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 유기박막태양전지의 전자 수송층으로 많이 사용되고 있다. 특히 ZnO는 이방 결정성을 지니는 재료로서 그 배향성에 따라 전하 이동능력이 약 10배까지 차이가 나는 재료로서, 이 배향성은 겔화 과정의 열처리 방법을 통해 조절 가능하다. 열처리 방법의 차이는 결정의 우선배향성 뿐만 아니라, 잔류 솔벤트 양에 따라ZnO 박막의 표면 모폴로지 변화에도 지대한 영향을 미치게 된다. 유기박막태양전지에 적합한 솔-겔 ZnO박막을 제조하기 위한 다양한 조건들을 조절하여, 잔류 솔벤트 양과 열처리 방법을 조절하여 고안정성, 고효율의 유기 박막 태양전지를 가스 스프레이 공정을 통해 성공적으로 구현하였다.
