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Fabrication of stable conducting polymer films using polymer nanoparticles and their application in polymer solar cells = 고분자 나노입자가 도입된 전도성 고분자 박막 제조 및 고분자 태양전지로의 응용에 관한 연구
서명 / 저자 Fabrication of stable conducting polymer films using polymer nanoparticles and their application in polymer solar cells = 고분자 나노입자가 도입된 전도성 고분자 박막 제조 및 고분자 태양전지로의 응용에 관한 연구 / Dong Jin Kang.
저자명 Kang, Dong Jin ; 강동진
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2015].
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Electrical conducting polymers have attracted a great deal of attention due to their potential use in many future applications in low cost, flexible, and printable electronic devices. However, these polymers encountered with the principal problems, such as poor processbility and low environmental stability. Therefore, blending insulating polymers with electrical conducting polymers is an attractive route for improving their mechanical and air stability without dissipation of electrical conductivity. To obtain excellent properties without losing conductivity, simple blending usually does not allow the degree of morphological control needed to ensure a conducting polymer with continuous phases; because the entropy of mixing is generally low for polymers, solid polymer blends tend to be phase-separated at the macroscopic scale. Moreover, when a thin layer of immiscible polymers is deposited from a solution, the resulting morphology strongly depends on various parameters, such as the individual solubility of the polymers in the solvent, the interaction of polymers with the substrate surface, the layer's thickness, the method of deposition, and the drying and annealing conditions. Therefore, a high concentration of the minor component is required to produce a continuous percolated structure in binary polymer blends. The ability to decrease the percolation threshold of one component to achieve a continuity at low concentrations would be an important achievement in creating continuous films for optoelectronic applications. One interesting way to achieve low percolation threshold materials is to apply a templating approach with compatibilizers. We propose a novel and robust strategy for creating continuous conducting polymer films with ultralow percolation thresholds based on using polymer-coated gold nanoparticles as a surfactant. Continuous poly(triphenylamine) (PTPA) films of high internal phase polymer emulsions (HIPPEs) were fabricated using an templating of crosslinked polystyrene (PS) colloidal particles. Polymer-coated gold nanoparticles (Au NPs) were carefully designed and synthesized to be thermally stable even above 200 ˚C and to be neutral to both the PS and PTPA phases. Therefore, the Au NPs localize at the PS/PTPA interface and function as surfactant to efficiently produce a continuous conducting polymer film with a PTPA phase with very low percolation thresholds. The volume fraction threshold for percolation of the PTPA phase with insulating PS colloids (as measured by electron microscopy and conductivity measurements) was found to be 0.20. In contrast, with the addition of an extremely low volume fraction of surfactant Au NPs, the volume fraction threshold for percolation of the PTPA phase was dramatically reduced to 0.05. Furthermore, we introduced an templating approach to thin conducting films and organic electronic devices using nanometer-sized monodisperse polystyrene nanosparticle (PS NP), which were designed as an opal template for the formation of three-dimensionally continuous poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) films. The resultant films were successfully applied as the anode buffer layer (ABL) to produce highly efficient polymer solar cells (PSCs) with enhanced stability. The effect of the PS NP template on the PS NP-PEDOT:PSS film (PS NP-PEDOT:PSS) was thoroughly examined regarding the morphological and electrical behavior as a function of the PS NP volume fraction (?PS). The conductivity of the PS NP-PEDOT:PSS films was maintained up to ?PS =0.75-0.80, which indicates that the percolation threshold of the continuous PEDOT:PSS layer in the film was as low as 0.20-0.25. This value is in good agreement with the void volume fraction in the film of hexagonally close packed spheres, indicating that the formation of continuous PEDOT:PSS films using PS NP templates was successful. To further demonstrate the applicability of the PS NP-PEDOT:PSS film for organic electronics, the PS NP-PEDOT:PSS films were used as ABLs in two different PSCs: P3HT:PCBM and P3HT:OXCBA. The photovoltaic performances of both PSCs were maintained up to ?PS =0.8. In particular, the power conversion efficiency (PCE) of the P3HT:OXCBA PSC was greater than 5% with a PS NP-PEDOT:PSS ABL (?PS =0.8). In addition, the use of a reduced amount of PEDOT:PSS polymer in the ABL dramatically enhanced the air stability of the PSCs compared to the device containing a pure PEDOT:PSS ABL. Moreover, the size mismatch between effect of size of PS NPs in the PEDOT:PSS film can be produce the nanostructure in organic electronic devices. Therefore, we incorporated monodisperse 60-nm polystyrene nanoparticles (PS NPs) into the 50-nm thick PEDOT:PSS ABL to create a randomly nanotextured back electrode with 10-nm height variations in inverted-type PSCs. The roughened interface between the PS NP-PEDOT:PSS ABL and the Ag electrode scatters light in the visible range, leading to efficient light trapping within the device and enhanced light absorption in the active layer. Inverted PSCs with randomly nanotextured electrodes (?NP=0.31) showed short-circuit current density (JSC) and PCE values that were 15 to 20% higher than those of control devices with flat electrodes. External quantum efficiency, reflectance, and optical light scattering as a function of ?NP were examined to determine the origin of the enhancement in JSC and PCE. Also, we developed the mechanically robust and air-stable PSCs by modification of the PEDOT:PSS ABL using cross-linked PS NPs with three different sizes, i.e., 60, 80, and 100 nm. The PS NPs were employed for producing two distinct functions as (i) a binder in PEDOT:PSS polymers, and (ii) an interfacial modifier between PEDOT:PSS and bulk-heterojunction (BHJ) active layer due to their hydrophobicity and protruded surfaces on the PEDOT:PSS layer, respectively. The results of the tensile strain and bending tests showed that the PS NPs act as binders in the PEDOT:PSS films, inducing a remarkable enhancement in their mechanical durability. In addition, protruded surfaces of PS NP emerging from size mismatch compared with thickness of PEDOT:PSS film induced the improvement of interfacial adhesion as measured by dual cantilever beam (DCB) test. The mechanical properties of the PSCs with modified PEDOT:PSS were optimized as a function of size and their voulme fraction (?NP) of PS NPs. Furthermore, the PS NPs in the PEDOT:PSS film could effectively suppress the absorption of moisture in air and corrosion of indium tin oxide (ITO) cathode as evidenced by quantitative analysis using thermogravimetric analysis and X-ray photoelectron spectroscopy, enhancing the long-term stability of the PSCs under ambient conditions.

π-공액 고분자(π-conjugated polymers)들은 전자 산업 같은 미래 지향적 적용이 가능할 것으로 기대되는 물질로서 물질의 전기적 성질이나 기계적 유연성 그리고 상대적으로 쉬운 제조방법 등으로 인하여 각광받고 있다. 특히, 공액(conjugation) 방해 결함이 적은 잘 정렬된 고분자를 만들 수 있다면 고분자의 전기적 전도성의 조절도 가능하다는 것이 알려져 있다. 하지만 기존의 전기전도성 고분자는 단지 전기전도 특성만을 가지며, 불용성이어서 가공이 용이하지 않다는 단점을 가지고 있다. 이러한 전기전도성 고분자의 기계적, 열적, 전기적 성질 등의 각종 특성 개선의 목적 외에 단일 재료로는 얻을 수 없는 새로운 기능을 부여하기 위하여 많은 연구가 이루어지고 있으며, 전기전도성 고분자와 고분자 수지의 복합 재료에 대한 연구가 이루어지고 있다. 전도성 고분자 중 폴리티오펜 유도체중 PEDOT/PSS로 약칭되는 폴리-3,4-에틸렌디옥시티오펜/폴리스티렌설포네이트는 정공수송층으로 고분자 태양전지뿐 아니라 유기발광다이오드 층에 널리 쓰이고 있다. 하지만 PSS는 수분을 잘 흡수하여 수분 제거를 필요로 하는 경우에 사용하기 곤란하고, 전자와의 반응에 의해서 분해되어 설페이트(Sulfate) 등과 같은 물질을 방출하여 인접한 유기막, 예를 들면 발광층으로 확산시킬 수 있는데, 이와 같이 정공 주입층으로부터 유래된 물질의 발광층으로의 확산은 엑시톤 소멸 (exciton quenching)을 야기하여 유기 전계 발광 소자의 효율 및 수명 저하를 초래한다. 따라서 본 연구진은 유기 태양전지 및 전계 발광소자 등에 널리 쓰이는 PEDOT:PSS 가 가지는 단점을 극복하기 위해 100 나노 보다 작은 고분자 나노입자를 합성하고 이를 템플릿으로 한 낮은 전기적 임계점을 가지는 전도성 박막을 개발함으로써 PEDOT:PSS 함량을 최소화 함으로써 흡습성이 작고, 공기 안정성이 매우 좋은 전도성 박막을 개발하고 이를 유기태양전지 내에 도입함으로써 전기적 손실없이 우수한 공기 안정성을 보이는 유기태양전지소자를 개발할 수 있었다. 또한, 나노입자의 두께를 PEDOT:PSS와 달리하여 역구조 유기태양전지에 도입하는 연구를진행 하였다. 구조적 변화로 인해 나노입자가 무작위의 전극 표면에 나노구조를 가지게 만듦으로써 빛의 산란과 반사과정을 통해 유기태양전지의 효율이 높아짐을 확인하였다. 또한 구조적 `변화가 나노입자의 함량에 따라 변화하는 것을 전기적/형태학적으로 분석함으로써 역구조 유기태양전지 효율 향상에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다. 일반적으로 다층구족 형태의 유기태양전지의 경우 서로 다른 물리적/화학적 특성으로 인하여 계면에 매우 약한 결합을 가지기 때문에 고분자 태양전지의 기계적 특성이 매우 낮은 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 세가지 크기를 가지는 고분자 나노입자를 합성하고 이를 유기태양전지에 사용되는 정공수송층에 도입함으로써 정공수송층의 물리적 특성뿐만 아니라 다층 구조의 유기태양전지의 접합력에 미치는 영향을 조절하고자 하였다. 그 결과 나노입자의 크기 및 함량에 따라 물리적 기계적 특성에 변화가 나타남을 확인하였으며 이를 통해 물리적 화학적 특성이 향상된 유기태양전지를 개발하였다. 이와 더불와 고분자 콜로이드 템플릿 내에서 낮은 함량의 전도성 고분자를 분산시키고 계면 접착력을 향상시켜 전기적 임계점을 낮추는 복합체를 제조하고자 하였다. 계면 접착력 향상을 위해 기존에 많이 사용되었던 블록공중합체가 아닌 고분자로 코팅 되고 열적으로 안정한 금 나노입자를 이용하였다. 실험의 결과로써 기존의 상용화제 보다 더 낮은 함량에서도 뛰어난 상용특성을 가짐을 확인하였다. 이는 무기입자가 가지는 흡수 에너지가 훨씬 크기 때문에 다른 두 고분자 계면 사이에 위치시켰을 때 손실되는 나노입자 없이 계면 에너지를 감소시킬 수 있기 때문이다. 본 연구에서는 일정한 크기로 가교 된 서브 마이크론 크기의 고분자 콜로이드가 가지는 자기 조립특성을 이용함으로써 연속적 전도성 필름을 제조할 수 있었으며 전체 부피의 5%의 전도성 고분자만을 이용하여 성공적인 전도성 필름을 제작할 수 있었다

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 15020
형태사항 v, 137 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 강동진
지도교수의 영문표기 : Bum Joon Kim
지도교수의 한글표기 : 김범준
수록잡지명 : "Creating Opal Templated Continuous Conducting Polymer Films with Ultralow Percolation Thresholds Using Thermally Stable Nanoparticles". ACS Nano, 5, 9017(2011)
수록잡지명 : "Nanosphere Templated Continuous PEDOT:PSS Films with Low Percolation Threshold for Application in Efficient Polymer Solar Cells". ACS Nano, 6, 7902(2012)
Including Appendix
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 References : p.
주제 PS nanoparticle
Electrical conducting polymers
PEDOT:PSS
Anode buffer layer
Mechanical properties
Polymer solar cell
Template
고분자 나노입자
전도성 고분자
PEDOT:PSS
정공수송층
기계적 물성
고분자 태양전지
템플레이트
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