This dissertation presents endeavors put in identification and enhancement on stability of organic solar cells (OSCs) along with explanations on some of the basic components. Public interest is mainly focused on the efficiency enhancement and new fabrication techniques of OSCs, and because of that the importance of OSC lifetime has been relatively overlooked. It is crucial in the development of OSCs to guarantee certain amount of lifetime. This will not only make OSCs serve as a reliable energy source but also lower its electricity generation cost. With highest efficiency reaching over 12% the stability of OSCs becomes more and more important in commercial-scale production of OSCs.
While the stability of OSCs has been studied extensively recently, both internally and externally, some basic notions remain unconfirmed. Inverted OSCs are generally regarded as stronger in terms of stability compared to normal OSCs. So far, when the two geometries are compared relatively stable materials were usually used for inverted OSCs and reactive materials for normal OSCs to emphasize the improvement in stability. Strictly speaking, this is not a proper way of comparing the two structures. One of the main part of this dissertation will be to compare the two geometries in an equal condition so no biased or false conclusion can be drawn. Also, one of the detrimental factors that degrade OSCs, moisture has not been studied extensively.
First, normal and inverted OSCs with top Al metal, with all the other layers kept the same differing only in the deposition order, are compared. This will include basic characteristics such as J-V, optical structure, interface characteristics, as well as their stability. Before extensive analysis, necessity of stability comparison in a controlled environment is addressed through an example of stability in ambient condition.
With the test environment fixed at custom set “damp condition (27oC, 90% RH)”, evaluation is carried out for both cells. It turned out that inverted OSCs do outlive the normal OSCs confirming the common notion acknowledged in the literatures. However, their degradation trends are observed to be quite different. Normal OSCs have a current-dominant (Jsc) degradation associated with formation of bubble-like features whereas for inverted OSCs voltage-dominant (Voc) degradation due to change in the work function of the metal oxide-based anodic interfacial layers occurs. Expected causes of degradation are thoroughly analyzed through various techniques. Based on the causes of degradation, heat treatment on each interlayer is proposed and tested for each type of cells. 28(3.6) fold enhancement in T80-lifetime is achieved for inverted (normal) OSCs with Al top electrode with the proposed method. Especially, T80-lifetime of the treated inverted OSCs was 308h in the damp condition.
While inverted OSCs benefited from heat treatment, normal OSCs remained vulnerable to moisture with T80 of 1.6h and efficiency quickly dropping near zero. In an effort to enhance their lifetime, and even possibly for further improvement in inverted OSCs also, relatively reactive Al is replaced by noble metals. Single layer of metals for top electrode did not bring any enhancement except for Au, which is not practically applicable. New forms of degradations are observed for Ag and Cu cells, which is speculated to be the result of metal migration. Also, Voc decrease in normal cells were observed, unlike normal cells based on Al.
To simultaneously prevent Voc decrease as well as Jsc decrease in normal OSCs, bilayer top metal electrode is applied with Al directly contacting the interlayer. Both Ag and Cu are tried on top of Al and both yielded improvement in the stability, but the improvement in Al/Cu was significant which improved more than 30-folds in T80. Analysis on each of the device is done and speculations on the cause of degradation are suggested.
In the last part of this dissertation, barriers are applied to each OSCs. Even though OSCs can be reinforced internally by suggested methods, they will be even stronger with barriers. Keeping in mind that the barrier requirements are lower for OSCs compared to OLEDs and reinforced cells are able to endure more moisture compared to the untreated ones, total amount of moisture permeation before the cells reach 80% of their efficiency is estimated for each device geometry. For the reinforced cells, it is speculated that the cells will endure up to more than 5g/m2 of moisture exposure, which already allows the use of weak barriers (>0.01g/m2/d) to ensure at least 1 year of OSC operation. With combined use of internal and external methods to fortify OSCs the barrier requirements can be lowered which will eventually provide us with reliable and cheap OSCs.
이 논문은 유기태양전지의 안정성을 향상시키기 위해 진행된 연구들과 더불어 유기태양전지의 작동의 이해에 도움을 줄만한 전반적인 요소들에 대해 서술하고 있다. 보통 대중의 관심은 유기태양전지의 효율 향상이나 새로운 제작 기법들에 치중되어 있고 또 다른 중요한 요소인 안정성에 대해서는 상대적으로 관심이 부족하다. 유기태양전지의 발전을 위해서 어느정도의 수명을 보장하는 것이 중요하다. 이는 유기태양전지를 믿을 수 있는 에너지 자원으로 발돋움할 수 있게 할 뿐만 아니라 전기생산 비용을 낮춰주기도 한다. 최근 10% 효율을 달성한 시점에서 유기태양전지의 상업화를 위해 안정성 연구가 더욱더 중요해지고 있다.
최근 이런 트렌드에 부합하여 유기태양전지의 안정성에 대해 많은 연구가 진행되었지만 아직 여러 부분에 대해 연구가 미흡한 실정이다. 반전형 유기태양전지는 노말 구조에 비해 안정성이 좋은 것으로 알려져 있지만 보고된 내용은 대부분 반전형 구조의 안정성을 강조하기 위해 노말 유기태양전지에 상대적으로 안정성이 취약한 물질들을 주로 써왔다. 이는 단연 올바른 비교라고 볼 수 없다. 이 논문의 주 내용 중 하나는 이 두 구조를 올바르게 비교하는 것이다. 또한 유기태양전지가 가장 취약한 습도에 대해서는 아직 많은 연구가 진행되지 않았다.
우선, 다른 층들은 모두 같게 유지하면서 Al을 상부 전극으로 하는 노말과 반전형 구조 유기태양전지가 서로 비교되었다. 기본 특성 비교, J-V, 광학적 구조, 계면특성 등과 안정성 비교를 수반하였다. 본격적인 분석에 앞서 일반 환경에 노출된 두 셀을 비교하면서 조절된 환경에서의 비교가 필요함을 일깨웠다.
분석 환경을 “습한 조건 (27oC, 90%습도)” 으로 정하고 두 구조에 대해 분석을 진행한 결과 일반적으로 통용되는 반전형이 노말에 비해 안정성이 좋다는 사실이 어느정도 일리가 있음이 확인 되었다. 하지만 두 구조의 열화 과정은 매우 달랐다. 노말 구조는 전류(Jsc)가 주로 감소하면서 거품 비슷한 형체들을 만들었고 반전형은 상부 메탈 옥사이드의 일함수 감소에서 비롯되는 것으로 보이는 전압(Voc)이 주로 감소하였다. 관찰된 현상들을 바탕으로 이를 야기하는 요인들에 대해 다양한 분석 방법으로 접근해 보았고 이를 통해 interlayer의 열처리 기법을 안정성 향상의 한 방법으로 제시하였다. 제시된 방법을 적용하였을 때 반전형(노말)의 경우 T80 시간이 28(3.6) 배 증가하였음을 확인하였다. 특히 반전형의 경우 T80시간이 308h 에 다달았다.
반전형의 경우 열처리에 의해 안정성이 많이 증가되었지만 노말의 경우 T80이 겨우 1.6h밖에 되지 않았고 효율 또한 짧은 시간안에 0을 찍었다. 이를 보완하고 반전형 유기태양전지 또한 안정성을 더 개선할수 있는 방안을 찾기 위해 상대적으로 안정적인 Au, Ag, Cu를 상부 메탈로 사용해보았다. Au를 제외하고는 별다른 안정성 향상을 가져오지 못했고 메탈 이동으로 보이는 새로운 열화 현상을 발견하였다. 또한 모든 셀에 대해서 Al 노말 셀에서는 보이지 않았던 Voc감소 현상을 볼 수 있었다.
Voc 감소를 막고 Jsc가 급격히 떨어지는 현상도 막기 위해 두층의 메탈 상부전극을 시도해보았다. 디바이스 쪽에는 Al을 놓고 외부 환경과 직접적으로 접촉하는 쪽에는 Ag 나 Cu를 도포하였다. Al/Ag, Al/Cu 모두 안정성에 향상을 가져왔고 특히 Al/Cu의 경우 Al 노말 셀 대비 30배의 T80 안정성 향상을 관찰하였다. 각 셀들에 대해 열화 메커니즘이 제시되었다.
마지막 부분에서는 유기태양전지에 봉지가 입혀졌다. 전 챕터들에서 유기태양전지의 수명 개선방안이 제시되었지만 봉지가 입혀진다면 더더욱 개선이 될 것이다. 유기태양전지의 경우 유기발광다이오드에 비해 봉지 필요조건이 낮고 또한 전 챕터에서 수분에 대한 내구성이 증가된 점을 감안하여 셀이 초기 수명 대비 80%에 도달할 때까지의 수분 침투량을 구하고자 하였다. 강화된 셀은 5g/m2의 수분 침투까지 견딜수 있을것으로 추정되었고 이는 1년동안 문제없이 동작하기 위해서 0.01g/m2/d의 배리어로도 충분한 값이다.
