The organic, perovskite photovoltaics show tremendous device performance in recent researches and considers as the emerging photovoltaics in industrial fields due to the low fabrication cost and mechanical flexibility. However, as the organic, perovskite photovoltaic shows relatively low device performance and poor device stability, improving device stability and efficiency is a main issue to commercialize this photovoltaics.
In this dissertation, the more effective photovoltaic devices were fabricated by modifying device interlayer and fabrication process.
In chapter 2, this research focuses on the effect of ligand exchanged CdSe quantum dots (QDs) interlayer to solve the self-aggregation, and applied to uniform coating of QDs in inverted organic solar cells. Because the oleic acid ligand has a tendency to act as an insulator, the ligand exchange of CdSe has been reacted from an oleic acid ligand to pyridine to increase conductivity. To overcome the general problems of self-aggregation of ligand exchanged inorganic nanoparticles, we carried out a chemical treatment using by a 3-mercaptopropionic acid (3-MPA) on top of ZnO layer for grafting CdSe QDs which give rise to the uniform formation of CdSe QDs layer between ZnO and active layer. The ligand exchanged CdSe QDs layer contributed to the increased device efficiency over 5% in the inverted organic solar cells due to the role of electron transport and hole blocking effects, which correlated to the enhanced FF from decreased series and increased shunt resistance compared to the device without interlayer.
In chapter 3, we investigates non-FOTS based PUA stamping transfer and the different surface energy properties that result in various physical phenomena when used for organic photovoltaics. To transfer the material, the energy release rate (G) between the PUA and the coated material should be smaller than the G between the coated material and the substrate. As a result, hydrophilic PUA was used to reduce the interaction between the PUA and the organic bulk heterojunction (BHJ) layer to transfer the BHJ layer from the PUA stamp to a PEDOT:PSS coated ITO-substrate. 2-Hydroxyethyl methacrylate (HEMA) is included as the reactive diluent to reduce the PUA viscosity, and the contact angle was measured to compare the surface property between the reference PUA and the HEMA-PUA. The stamping-transferred BHJ device exhibits a 95% relative efficiency (2.9%) when compared to that obtained when using a spin-coating process, which is considered as a good alternative to fabricate optoelectronic devices. More importantly, we have found a decrease in the fill factor (64 to 58%) and a comparable performance (3.0% to 2.9%) derived from the increase in the charge recombination and resistance during the stamping transfer.
In chapter 4, we fabricated low temperature based inverted semitransparent CH3NH3PbI3 perovskite photovoltaics. The work function of PEDOT:PSS (PH 1000) electrode was modified using polyethylenimine (PEI) and both layers are transferred on the $ITO/PEDOT:PSS/CH_3NH_3PbI_3/PCBM$ layer using hydrophobic polyurethane acrylate (PUA) polymer stamp. Even if the PH 1000 spin coating on the $CH_3NH_3PbI_3/PCBM$ layer shows degradation of perovskite due to the inter-diffusion of PH 1000 solvent, drying transfer shows effective layer stacking without degradation. The PEI treatment on the PH 1000 contributes to reduce the work function from 5.1eV to 3.97eV and this modification makes to improve the device performance from 0.07% to 4.02%. The full device average visible transmittance (AVT) exhibits 24.58% and the work function modification shows the decreased charge transporting resistance (Rc), which directly correlate to the enhanced open circuit voltage (Voc) short circuit current (Jsc) and fill factor (FF).
유기태양전지, 페로브스카이트 태양전지는 다른 종류의 태양전지와는 달리 용액 공정이 가능하고, 저렴한 재료 비용 그리고 플랙서블한 특징을 가지고 있기에 현재 차세대 태양전지로 주목을 받고있다. 그러나 아직까지는 유기, 페로브스카이트 물질이 화학적 안정성이 떨어져 소자 수명이 다소 짧다는 문제점, 그리고 전력변환효율이 이미 상용화된 무기태양전지보다 다소 떨어진다는 문제점이 있기때문에 소자 수명의 개선과 효율 향상은 매우 중요한 부분이다.
본 학위연구에서는 태양전지의 중간층과 제작공정을 보완하여 더욱 효과적인 태양전지를 구현하는 방향으로 연구를 진행하였다.
2장 에서는 카트뮴셀레나이드 (CdSe) 양자점을 직접 합성하고 양자점의 리간드를 바꾸어 유기태양전지의 중간층에 도입을 시도하였다. 초기 양자점의 리간드는 올레산 으로 구성이 되는데, 올레산은 절연체의 성질을 가지고 있어서 태양전지 중간층으로 활용하는데 제한이 있다. 따라서 올레산의 리간드를 피리딘 으로 바꾸어 양자점 중간층의 전도성을 개선하는 방향으로 연구를 진행하였다. 리간드가 바뀐 양자점은 서로 상호작용으로 인한 응집이 되는 현상이 관찰되었는데 이를 해결하기 위하여 3-멜캅토프로피온산 라는 유기물질을 산화아연 층에 먼저 자기조합단층박막 처리 하는 방향으로 소자제작을 설계하였다. 3-멜캅토포르피온산을 구성하는 카르복실기는 산화아연층에 붙고 싸이올기는 바깥으로 노출되는데 양자점은 싸이올기에 자발적인 결합을 하는 성질이 있어서 이 원리를 이용하여 양자점의 응집 현상을 억제하였다. 이로부터 성공적으로 균일한 리간드가 치환된 양자점을 단일층 형태로 중간층을 형성하는데 성공하였고, 이를 도입한 유기태양전지는 기존 유기태양전지 대비 5%의 효율이 개선되는 결과를 얻을 수 있었다.
3장 에서는 유기태양전지 고분자 활성층을 전사하는데 적합한 친수성 폴리우레탄아크릴레이트 고분자 합성을 진행하여 이를 유기태양전지 제작 공정에 도입하는 연구를 진행하였고 제작 공정에 도입 시 물리적인 현상을 관찰하였다. 공정 방법은 코팅한 물질을 고분자 스탬프에서 기판으로 넘기는 전사 방법을 활용하였는데, 물질을 넘기기 위해서는 고분자 스탬프와 물질간의 상호 인력, 그리고 물질과 넘길 기판 사이의 상호 인력이 매우 중요한 변수이다. 따라서 본 연구에서는 소수성 성질을 가지는 고분자 활성층을 보다 쉽게 전사 시키기 위하여 친수성 성질을 가지는 2-하이드록시에틸메타아크릴레이트 를 도입하여 기존 폴리우레탄아크릴레이트 고분자의 표면 특성을 바꾸어 합성하는 방향으로 설계하였다. 이로부터 합성된 친수성 폴리우레탄아크릴레이트는 기존의 소수성 폴리우레탄아크릴레이트와는 달리 고분자 활성층을 성공적으로 전사 시키는데 성공하였으며, 이로부터 제작된 유기태양전지는 스핀코팅 공정기반 유기태양전지 대비 95% 수준의 전력변환효율을 보여주는 것을 확인하였다. 이는 본 연구에서 합성한 폴리우레탄아크릴레이트가 유기태양전지 대체 공정에 적합한 물질임을 보여준다. 전사 공정을 활용시 효율이 소폭 감소되는 현상이 관찰되는데 이는 임피던스와 암전류 분석결과 활성층 중간층 사이에서 엑시톤의 재결합 빈도가 상승하고 소자 직렬 저항의 증가 로부터 기인하는 것을 알 수 있었다.
4장 에서는 선행연구에서 진행했던 친수성 기반 폴레우레탄아크릴레이트가 아닌 표면물성을 변환하여 소수성 기반 폴리우레탄아크릴레이트를 합성하고 이를 반투명 페로브스카이트 태양전지 제작에 도입하는 연구를 진행하였다. 소자를 제작하기에 앞서, 일함수에 따른 태양전지 소자 구동의 변화를 관찰하기 위하여, 투명전극으로 적합한 전도성 고분자 표면 위에 폴리에틸렌이민 고분자 물질을 코팅하였고 이를 통하여 기존 전도성 고분자의 일함수를 변경 주는 선행연구를 진행하였다. 기존 스핀코팅 공정으로 반투명 페로브스카이트 태양전지를 제작 시, 전도성 고분자의 용매인 물로부터 페로브스카이트 물질이 손상되는 것이 관찰된 반면, 스탬핑 전사공정으로 도입 시 페로브스카이트 물질의 손상없이 안정적으로 반투명 태양전지를 제작 할 수 있었다. 폴리에틸렌이민이 처리되지 않은 전도성 고분자의 일함수는 약 5.1eV 였고 처리가 된 전도성 고분자의 일함수는 3.97eV 임이 확인 되었으며 이를 기반으로 제작한 반투명 페로브스카이트 태양전지는 평균 가시광선 투명도는 24.58%, 그리고 전력변환효율은 각각 0.07%, 4.02%를 보여주었다. 일함수 변경 시 소자 성능이 대폭 개선되는 것을 알 수 있는데, 임피던스, 암전류, 입사광자의 전력변환효율 분석결과, 일함수 변경시 소자내 전하 이동저항의 감소와 전하 재결합 빈도가 감소되는 것이 확인되었고, 이로부터 개방회로전압, 충전율, 단락전류의 값이 대폭 향상된 것을 알 수 있었다.
