Considerable attention has been devoted to polymer solar cells (PSCS) as potential next-generation solar energy-harvesting devices, owing to their low manufacturing cost and the possibility of fabricating PSCs in lightweight flexible plastic. In spite of the intensive research efforts in this field, the performance of PSCs is still far away from commercialization level requirements, primarily because the short exciton diffusion length of organic semiconductor limits the active layer thickness for efficient light absorption. Although polymer/fullerene bulk heterojunction (BHJ) system has been employed to increase the number of interfaces for facilitating charge separation, the low carrier mobilities and tortuous transport paths in these structure increase recombina-tion losses in thicker devices. Therefore, it is important to develop efficient light-trapping structures that can maximize light absorption, and at the same time ensure the resulting carrier can be efficiently collected by elec-trodes, with minimum recombination loss.
In chapter 2, we optically and electrically designed and experimentally demonstrated a highly efficient top-illuminated flexible polymer solar cells on the nano-patterned polyethylene terephthalate (PET) substrates with 3D nano-patterned microresonant cavity. To enable optimum carrier transport in the dielec-tric/metal/dielectric (DMD) transparent electrode-based solar cells through a nanopatterned micro resonant cavi-ty, we precisely controlled the thickness of the photoactive and transporting layers. Then, the optical-field distri-bution inside the photoactive layer was tuned by the out-of-cell capping layer’s thickness and nanopattern. Fi-nally, the PET substrates under the PS mask was etched by reactive ion etching with a line-shaped pattern 50nm in height and 500nm in width. Then, each layer of device was conformally coated onto the nanpatterned PET substrates, confining the incident light within active layer. The resulting 3D nano pattered microresonant cavity show that the top illuminated PSCs not only benefit fully from a powerful light-trapping but also electrical en-hancement, resulting in solar cells with an excellent initial power conversion efficiency of 4.5%, high FF, Voc and PCE of up to 4.5%, offering great potential for the fabrication of highly stable and high performing plastic solar cells.
In chapter3, we developed a new surface plasmon assisted top illuminated PSC by employing plasmonic hemispherical Ag nanostructures on the back of the active layer. Our fabrication process begins with the nanostructured rear electrode, in contrast with the conventional surface plasmonic electrode processing step that starts with the ITO transparent electrode. The plasmonic hemispherical-shaped isolated Ag nanostructured array was preferentially fabricated onto glass substrates through the utilization of a simple surface-tension-induced agglomeration method. This method is inherently simple due to the lack of requirements for the positioning and removal of a mask. The non-contact method also guarantees zero-risk of depositing debris on the surface. The formation of random arrays of Ag nanostructures with a diameter of 80±20 nm and a hemispherical shape is well suited for light trapping. Moreover, detrimental effects in the absorption were avoided by modifying the geometry of the system such that the hemispherical Ag nanostructures were on the rear of the device. Contami-nation of the active layer can be prevented due to the nanostructures being manufactured in advance of the active layer coating. The resulting top illuminated polymer solar cells with dense hemispherical Ag arrays illus-trate that the hemispherical Ag nanostructure arrays provide powerful light-trapping via surface plasmon and scattering effects, thereby leading to a remarkable enhancement in the power efficiency from 5.75 to 7.18%. In addition, they also contribute to the stability and extended lifetime of the polymer solar cells due to the attach-ment of the hemispherical Ag nanoparticle arrays onto the rear electrode. The new approach serves as a surface plasmonic procedure for enhancing the performance and stability of plastic solar cells.
In chapter 4, we present a PMMA residue free transfer method, where PMMA/graphenes bilayer was re-versely transferred onto target substrates to better control both contamination and crack formation relative to the conventional approaches. Firstly, the flexible substrates was vertically attached with one side edge of PMMA layer, which was positioned above multilayer graphene as supporting layer, allowing formation of strong interaction between flexible substrates and PMMA polymer. Then, all surface area of PMMA layer was sequen-tially was attached onto substrates, as dipping substrate into water deeply. The interaction of one side edge onto substrates will drag PMMA/graphene, and the pressure originated from water will press PMMA layer to attach on flexible substrate. As results, The PMMA residue free method doesn’t require additional process to remove PMMA layer, providing ultraclean surface by hiding PMMA film behind graphene. The inserted PMMA be-tween flexible PET Polyethylene phthalate (PET) substrate and graphene films not only improve the adhesion of graphene onto substrate, but also keep good quality of the above graphene films with negligible transmittance loss. The PMMA residue free graphene not only showed twice higher electrical conductivity with negligible transmittance loss, but also exhibited excellent bending stability as compared with commercial flexible ITO elec-trode. By taking advantage of the clean graphene films, flexible OPV devices were successfully constructed on a PET substrate. Notably, the devices exhibited much higher Jsc, FF and Voc compared to the device counter-parts fabricated from conventional PMMA wet transferred graphene.
유기 태양전지는 높은 공정성, 낮은 가격, 휘는 특성 등으로 인해 최근의 에너지 문제를 해결할 수 있는 차세대 에너지원으로 각광을 받고 있다. 그러나 유기 반도체는 짧은 여기 확산 거리 (exci-ton diffusion distance)와 낮은 전하 이동도로 인해 효율이 높은 태양전지를 만들기 어렵고, 유기태양전지의 광활성 박막은 광학 흡수의 원인이 되어, 내부 양자 효율 (IQE: Internal Quantum Efficiency)과 흡수 효율 사이에 교환-상충 (trade-off)의 원인이 된다. 따라서 광자 수집을 최대로 향상할 수 있으며 동시에 분리된 자유전하를 효과적으로 수집할 수 있는 빛 가둠 구조를 개발하는 것이 중요시 되고 있다.
두 번째 단락에서는 평면 마이크로 공진 캐비티에 나노패턴을 도입하여 3차원 마이크로 공진 캐비티 구조를 갖는 고효율의 상부 조명 유연성 유기태양전지를 설계하고 제작하였다. 기존의 빛 가둠 구조는 작은 볼륨으로 빛 에너지를 효과적으로 가두며 저장할 수 있는 평면 마이크로 공진 캐비티 (microresonant cavity)에 집중되어 왔다. 이러한 마이크로 공진 캐비티는 광활성층 양면에 있는 금속전극으로 형성되었으며, 산화방지막 (capping layer)으로 사용되는 MoO3은 실버 전극으로부터 반사를 줄여주고 투과도를 향상할 뿐만 아니라 광활성층에 강력한 전자기장을 유도해줌으로써 전계 (electric field)의 세기에 비례하는 광자 수집을 높여준다. 평면 구조에 비해, 나노패턴은 산란 및 표면 플라즈몬 효과에 의해 광 흡수를 한층 더 향상할 수 있을 뿐만 아니라 광활성층과 접한 전극면적을 확대함으로써 전하수집 효율을 향상 할 수 있다. 따라서PET플라스틱 기판 위에 구축된 3차원 마이크로 공진 캐비티는 유연성과 안전성이 우수한 고효율의 유기태양전지를 제작하는데 기반을 마련할 수 있다.
세 번째 단락에서는 금속과 유전물질 사이에서 전자의 움직임과 빛의 전자기파가 같은 주파수로 공명을 일으키는 표면 플라즈몬 현상을 이용하여 유기태양전지의 성능을 향상하였다. 유기태양전지 내의 빛을 흡수하는 유기물이 태양광의 폭 넓은 스펙트럼을 흡수하지 못하고 좁은 파장 영역을 상대적으로 강하게 흡수할 뿐만 아니라 빛 흡수를 증가시키기 위해 광활성층 두께를 증가시키면 내부양자효율이 떨어지기 때문에 두께를 증가시키면 오히려 효율이 크게 떨어지게 된다. 본 연구에서는 surface tension induced agglomeration method를 이용하여 플라즈몬 효과를 유도하는 나노구조체를 제작함으로 공정비가 저렴하고, 불순물 유입을 최소화 하였다. 또한 후면전극에 부착된 안정적인 구조이기에 시간에 따라 나노구조체가 뭉침으로 인한 효율 저하현상이 발생하지 않으며, 전극 면적이 증가되어 자유전자 수집효율이 향상된다. 또한 나노구조체는 입사 빛을 강하게 산란시키고 표면 플라즈몬 공명 현상으로 인해 표면 근처에 강항 전자기장을 형성시킴으로 광활성층의 빛 흡수율과 태양전지의 효율을 향상하였다.
네 번째 단락에서는 표면이 깨끗한 새로운 그래핀 전사방법을 제안하고, 이로 제작한 그래핀을 유기태양전지의 전극으로 사용하였다. 화학 기상 증착법은 전기적 특성이 우수한 대면적의 그래핀을 합성할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 하지만 화학 기상 증착법은 전이금속 촉매 위에서 그래핀을 합성하기에 그래핀을 성장 기판에서 타겟 기판으로 옮겨야 하는 추가의 전사공정이 필요하다. 그래핀을 투명전극으로 사용하려면 깨끗하고 저항이 낮은 그래핀 박막을 구현해야 하는데, 이를 위해서는 잔류물이 없는 깨끗한 전사방법이 개발되어야 한다. 많은 전사방법 중, PMMA매체를 이용한 전사방법이 간편하고 그래핀에 손상을 덜 미치기에 가장 많은 각광을 받고 있다. 하지만 그래핀을 타겟 기판으로 전사한 후, 지지층으로 사용한 PMMA층을 아세톤에 의해 제거하는 과정 중에 그래핀이 찢어지는 현상이 발생하며 전도성이 떨어질 뿐만 아니라 PMMA가 완전히 제거되지 않고 잔여물로 기판에 남게 된다. 이러한 PMMA 잔여물은 후 공정의 표면 모폴로지에 큰 영양을 주며, 절연체로써 전자의 흐름을 막기에 소자 성능에 심각한 영향을 준다. 본 연구에서는 그래핀/PMMA 층을 뒤집어서 기판에 전사하는 방법을 제안하였다. 이 공정은 PMMA필름이 그래핀과 기판 사이에 존재하기에 아세톤에 의해 제거할 필요가 없으며, 또한 잔여물이 없는 전극을 형성할 수 있다. 그렇게 제작된 그래핀은 기존 방법에 비해, 비슷한 투과도를 보이며 전도성은 약2배로 향상되었다. 그리고 기존 상용화된 ITO 코팅된 PET에 비해, 아주 우수한 기계적 안정성을 보여주고 있다. 새로 개발된 그래핀 전극을 유기태양전지에 사용한 결과, 기존 그래핀 전극 대비 효율이 ~200 % 향상됐었다.
본 학위 논문은 총 4장으로 이루어져 있다. 제 1장에서는 유기태양전지에 대한 간략한 소개, 제 2장에서는 유기태양전지의 효율을 향상할 수 있는 3차원 마이크로 공진 캐비티에 관한 연구, 제 3장에서는 후면 전극에 표면 플라즈몬 효과를 유도하는 나조구조체를 도입하여 유기태양전지의 효율을 향상한 연구, 제 4장에서는 표면이 깨끗한 그래핀을 사용하여 유기태양전지의 효율을 향상한 연구로 이루어져 있다.
