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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 발행연도
- 2019
- 저작권
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유기 태양전지의 상용화를 위해 연구진들이 가장 관심을 갖는 분야는 플렉서블 소자 구현과 실리콘 기반의 태양전지에 버금갈 수 있는 고효율의 소자 구현이라고 이야기 할 수 있다.
플렉서블 태양전지와 고효율 유기 태양전지의 구현을 위해서는 이를 가능하게 하는 자유로운 소자 디자인이 동반되어야 한다. 소자 디자인의 자유도를 저해하는 문제는 주로 용액 공정을 통해 박막을 형성하는 과정에서 발생하며, 이러한 문제는 크게 다음과 같은 두가지로 정리할 수 있다. 첫째, 용액 공정을 통해 형성한 박막의 고온 열처리 과정에서 발생하는 하부 유기물 및 플라스틱 기판의 손상 문제. 둘째, 박막 형성 과정에서 사용되는 유기 용매에 의한 하부 유기물 층의 손상 문제. 따라서, 저온 용액 공정의 개발과 유기 용매에 의한 하부 유기물 층의 손상을 방지할 수 있는 박막 형성 기술의 개발은 소자 디자인 자유도를 높임으로써 상용화가 가능한 고효율 유기 태양전지 제작을 위해 반드시 필요한 요소라고 할 수 있다.
본 학위논문에서는 유기 태양전지 제작을 위한 일반적인 공정 방법이 극복하지 못한 문제를 새로운 공정 방법을 개발함으로써 유기 태양전지의 디자인 자유도 향상을 가능하게 한 연구 결과에 대해 설명한다. 먼저, 플렉서블 소자 구현을 위한 저온 용액 공정이 가능한 전자 수송층 형성법인 aqueous ammine-hydroxo법을 사용한 ZnO 박막 형성법에 대해 소개하고, 이를 inverted polymer solar cell에 적용하여 80 ?C의 낮은 공정온도에서도 높은 성능을 보이는 소자 구현이 가능함을 보였다. 또한, ZnO 박막 형성과정에서 annealing 온도가 박막의 특성에 미치는 영향을 XPS, UPS, GI-WAXS, Transmittance 측정 등을 통해 확인 하였다. 다음으로 PDMS stamp를 사용한 고분자 박막 전사 공정을 개발하여 유기 탠덤 태양전지 제작에 적용함으로써, 유기 용매에 의한 유기물 층의 손상 문제를 극복한 결과, 하이브리드 유기 탠덤 태양전지의 단분자와 고분자 광 흡수층 배치의 자유도를 높여 상보적인 광 흡수 스펙트럼만을 고려한 효율적인 흡수층의 배치를 가능하였다. 그 결과 지금까지 보고된 하이브리드 유기 탠덤 태양전지 중 가장 높은 전력변환 효율을 달성하였다. 마지막으로 박막 전사 공정을 고분자 탠덤 태양전지에 적용하였다. 이를 통해 기존에 PEDOT:PSS와 metal oxide의 조합으로 구성된 제한된 종류의 중간 전극 만이 사용되었던 기존 연구의 한계를 극복하고 진공 열증착 공정을 통해 형성한 단분자 기반의 중간 전극을 고분자 탠덤 태양전지에 성공적으로 적용할 수 있음을 보였다. 이 연구 결과를 기반으로 상?하부 subcell을 전기적?광학적 손실 없이 연결하는 탠덤 태양전지의 중간 전극 개발을 위한 물질 선택의 자유도를 획기적으로 향상시켰다.
플렉서블 태양전지와 고효율 유기 태양전지의 구현을 위해서는 이를 가능하게 하는 자유로운 소자 디자인이 동반되어야 한다. 소자 디자인의 자유도를 저해하는 문제는 주로 용액 공정을 통해 박막을 형성하는 과정에서 발생하며, 이러한 문제는 크게 다음과 같은 두가지로 정리할 수 있다. 첫째, 용액 공정을 통해 형성한 박막의 고온 열처리 과정에서 발생하는 하부 유기물 및 플라스틱 기판의 손상 문제. 둘째, 박막 형성 과정에서 사용되는 유기 용매에 의한 하부 유기물 층의 손상 문제. 따라서, 저온 용액 공정의 개발과 유기 용매에 의한 하부 유기물 층의 손상을 방지할 수 있는 박막 형성 기술의 개발은 소자 디자인 자유도를 높임으로써 상용화가 가능한 고효율 유기 태양전지 제작을 위해 반드시 필요한 요소라고 할 수 있다.
본 학위논문에서는 유기 태양전지 제작을 위한 일반적인 공정 방법이 극복하지 못한 문제를 새로운 공정 방법을 개발함으로써 유기 태양전지의 디자인 자유도 향상을 가능하게 한 연구 결과에 대해 설명한다. 먼저, 플렉서블 소자 구현을 위한 저온 용액 공정이 가능한 전자 수송층 형성법인 aqueous ammine-hydroxo법을 사용한 ZnO 박막 형성법에 대해 소개하고, 이를 inverted polymer solar cell에 적용하여 80 ?C의 낮은 공정온도에서도 높은 성능을 보이는 소자 구현이 가능함을 보였다. 또한, ZnO 박막 형성과정에서 annealing 온도가 박막의 특성에 미치는 영향을 XPS, UPS, GI-WAXS, Transmittance 측정 등을 통해 확인 하였다. 다음으로 PDMS stamp를 사용한 고분자 박막 전사 공정을 개발하여 유기 탠덤 태양전지 제작에 적용함으로써, 유기 용매에 의한 유기물 층의 손상 문제를 극복한 결과, 하이브리드 유기 탠덤 태양전지의 단분자와 고분자 광 흡수층 배치의 자유도를 높여 상보적인 광 흡수 스펙트럼만을 고려한 효율적인 흡수층의 배치를 가능하였다. 그 결과 지금까지 보고된 하이브리드 유기 탠덤 태양전지 중 가장 높은 전력변환 효율을 달성하였다. 마지막으로 박막 전사 공정을 고분자 탠덤 태양전지에 적용하였다. 이를 통해 기존에 PEDOT:PSS와 metal oxide의 조합으로 구성된 제한된 종류의 중간 전극 만이 사용되었던 기존 연구의 한계를 극복하고 진공 열증착 공정을 통해 형성한 단분자 기반의 중간 전극을 고분자 탠덤 태양전지에 성공적으로 적용할 수 있음을 보였다. 이 연구 결과를 기반으로 상?하부 subcell을 전기적?광학적 손실 없이 연결하는 탠덤 태양전지의 중간 전극 개발을 위한 물질 선택의 자유도를 획기적으로 향상시켰다.
목차
Chapter 1 Introduction 171.1 General introduction 171.1.1 Introduction to organic solar cells 171.1.2 Characterization of organic solar cells 181.1.3 Working principle of D?A heterojunction solar cells 201.1.4 Challenges for making organic solar cells competitive 231.2 Conventional solution-based method for metal oxide thin-films deposition 271.2.1 Sol?gel methods 271.2.2 Nanoparticle deposition methods 271.3 Types and working mechanisms of organic tandem solar cells 281.3.1 Types of organic tandem solar cells 281.3.1.1 Small-molecule tandem solar cell 281.3.1.2 Polymer tandem solar cells 291.3.2 Working mechanism of the organic tandem solar cells 341.3.2.1 Material selection of absorption layers and their arrangement 341.3.2.2 The interconnection layers for organic tandem solar cells 361.4 Scope of this thesis 411.5 References 44Chapter 2 Solution-processed ZnO thin-film deposition for electron transport layer of inverted polymer solar cells 492.1 Overview 492.2 Effects of ZnO annealing temperatures on device performance 532.3 Characterizations of ZnO thin-films: the origins of TA dependency of device performance 582.4 Conclusion 682.5 References 69Chapter 3 Arrangement of the absorption layer in hybrid tandem solar cells using dry thin-film transfer printing 743.1 Overview 743.2 The structure and fabrication process of hybrid organic tandem solar cells 793.3 Electrical characteristics of hybrid organic tandem solar cells 873.4 Differences in hybrid tandem solar cells fabricated by spin-coating and thin-film transfer 913.5 Quantitative analysis of the hybrid organic tandem solar cell using numerical simulations 963.6 Conclusion 993.7 References 101Chapter 4 Polymer tandem solar cells with new interconnection layer using dry thin-film transfer printing 1074.1 Overview 1074.2 The structure and fabrication process of polymer tandem solar cells 1114.3 J?V characteristics of polymer tandem solar cells by varying the thickness of the interconnection layer 1184.4 Qualitative explanation of the dependency of tandem cell performance on tBCP:Ag and tAg 1284.5 Conclusion 1344.6 References 135Chapter 5 Conclusion 140요약 (국 문 초 록) 144
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