The research on alternative energy sources is actively on going because of exponentially increasing worldwide energy consumption. Organic photovoltaics is renewable and environmental alternative energy source and it has its own merits; such as low cost, flexibility, semitransparency. However, narrow absorption range and low carrier mobility, short exciton diffusion length make organic solar cell operate in low efficiency. To solve this problem, tandem structure is introduced. In order to achieve both high efficiency and low cost, solution process and small molecule are used.
p-DTS(FBTTh2)2 which I have never been used before shows variety efficiency depending on research group even though they use exactly same process and same structure. So optimization of p-DTS(FBTTh2)2 based solar cell is necessary. Starting from basic structure optimization, DIO ratio optimization was done. Changing donor:acceptor ratio, thickness of active layer, annealing condition, optimized process was found.
After optimizing p-DTS(FBTTh2)2 single cell, materials which are adequate for tandem structure with p-DTS(FBTTh2)2 was investigated. Using Transfer matrix formalism, maximum short circuit currents of each combination of materials on tandem cell can be measured. With measured open circuit voltage and fill factor, power conversion efficiency of each combination also can be measured. Among the potentially high efficiency candidate, P3HT was used as bottom layer. After characterizing single cell performance, tandem cell was made. All process except top electrode was done by solution process. Among them, interconnection layer was tricky to make. PEDOT:PSS(Clevious PH1000) has hydrophobic characteristic on the active layer. To solve this problem weak O2 plasma treatment was done for 3 seconds. With this treatment, PH1000 layer can be made by spin coating and active layer was barely damaged. In case of PEIE(polyethylenimine-ethoxylated), to make clean surface, spin coating was done right after dropping PEIE solution onto PH1000 substrate.
Because of conductive nature of PH1000 layer, there were problem of defining active area. To reduce uncertainty of active area, cell structure was changed.
In order to set optimized thickness of active layer which is calculated by transfer matrix formalism, solution concentration and spin condition was changed.
As a result, optimized tandem structure was successfully made. Tandem structure had 145nm thick P3HT layer and 84nm thick p-DTS(FBTTh2)2 layer. Tandem organic photovoltaics showed PCE of 6.84% and this value is higher than PCE of single cells which are made in same batch. EQE data proved that this structure is optimized by showing well matched current.
기하급수적으로 증가한 전세계적인 에너지 소비량으로 인해 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 유기 태양전지는 재생 가능하고 친환경적인 대체 에너지원인 태양전지를 유기물로 만듦으로써 낮은 단가와 유연함 반투명함 등의 장점을 가지고 있다. 하지만, 좁은 광 흡수대역과 낮은 전하 이동도, 짧은 엑시톤(Exciton) 확산 거리 등으로 인하여 효율이 낮다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 탄뎀 구조를 도입하였다. 향상된 효율과 함께 유기 태양전지의 큰 장점인 낮은 단가를 동시에 가져가기 위해 낮은 재료비를 필요로 하는 저분자 물질과 대량생산에 장점을 가지는 용액공정을 사용하여 탄뎀 유기 태양전지를 제작하였다. 이 때 사용한 저분자 물질은 이전에는 사용해본 적이 없는 p-DTS(FBTTh2)2이다. 선행연구에 따르면 연구 그룹마다 같은 구조와 같은 공정을 사용하더라도 태양전지 성능에 많은 차이를 보여, 탄뎀 유기 태양전지를 만들기 이전에 p-DTS(FBTTh2)2 의 최적화 작업을 하였다. 최적화 작업은 가장 기본이 되는 구조적인 최적화 작업을 시작으로 작은 비율의 변화에도 큰 성능 변화를 일으키는 DIO 첨가제 비율의 최적화 작업을 하였다. 그 이후 도너(Donor)와 억셉터(Acceptor)의 비율, 광활성층의 두께, 열처리 조건을 바꿔가며 가장 높은 효율을 보이는 조건을 찾아내었다.
p-DTS(FBTTh2)2단일소자의 최적화를 한 후, 저분자 태양전지와 함께 탄뎀 구조를 가져가기에 적합한 물질들의 후보군을 조사하였다. Transfer matrix formalism을 이용하여 탄뎀 구조에서의 최대 단락전류를 계산할 수 있었고, 개방전압과 필팩터 또한 임의로 계산하여 상부 층 하부 층의 조합에 따른 탄뎀 태양전지의 효율을 구할 수 있었다. 높은 효율을 기대할 수 있는 후보군 중에서 낮은 단가의 태양전지에 부합하는 P3HT를 하부 층으로, p-DTS(FBTTh2)2를 상부 층으로 사용하기로 하였다. P3HT 단일소자 태양전지의 성능을 확인한 후 탄뎀 태양전지를 제작하였다. 전극을 제외한 모든 공정이 용액공정으로 진행이 되었는데, 그 중에서도 중간전극을 용액공정으로 제작하는데 어려움이 있었다. 광활성층 위에서 소수성을 띄는 PEDOT:PSS(Clevious PH1000)을 코팅하기 전에 약하게 플라즈마 처리를 짧게 함으로써 광활성층에 손상이 가지 않으면서도 PH1000층을 만들 수 있었다. 또한 PEIE층을 깔끔하게 제작하기 위해 용액을 떨어뜨리자마자 스핀을 하는 방식을 적용하였다. PH1000은 전도성이 크기 때문에 측정을 하는 데에 문제를 일으킬 수 있다. 이러한 불확실성을 줄이기 위하여 소자의 구조를 바꾼 후, 광 시뮬레이션을 통해 얻은 광활성층의 최적화된 두께를 갖기 위해 용액의 농도나 스핀조건을 바꾸는 실험을 하였다. 그 결과 약 145nm와 84nm의 두께를 갖는 P3HT, p-DTS(FBTTh2)2층으로 탄뎀 구조를 성공적으로 만들 수 있었고, 그 때 효율은 6.84%로 같은 배치에서 만든 단일소자의 효율보다 높은 값을 나타내었으며, EQE값을 통해 해당 탄뎀 소자가 최적화된 구조임을 확인하였다.
