용액공정 ZnO/Ag나노와이어/ZnO 전극 기반의 반투명 고분자 태양전지

반투명 PSC는 BIPV(Building Integrated PhotoVoltaic)의 핵심 요소로, 향후 에너지 자립형 건물 구현의 핵심이 될 것으로 기대된다. 본 연구에서는 은(Ag) 나노와이어(NW)와 ZnO를 상부전극으로 기반으로 용액처리가 가능한 OMO(Oxide/Metal/Oxide) 구조를 사용하여 반투명 고분자 태양전지를 구현하였다.

서론

연구 배경

목표는 외부에서 생산하고 공급해야 하는 에너지의 양을 줄이는 것입니다. 건물 전체를 가동시키기 위해 에너지를 생산하는 구조물로 구성된다.

유기태양전지

유기태양전지의 개발 역사
유기태양전지의 구동 원리
유기태양전지의 구조
유기태양전지의 특성 분석

광유도 전하 분리는 반도체 고분자에 빛이 입사되면 매우 짧은 시간에 여기된 전자가 근처의 C60과 같은 전자 수용체 물질로 이동하는 현상입니다. 빛이 유기 태양 전지에 떨어지자마자 전자 공여체 물질은 빛을 흡수하고 여기 상태의 엑시톤을 생성합니다. 그런 다음 엑시톤이 전자 수용체와 전자 주개 물질 사이의 계면을 만나면 전자는 전자 이동도가 높은 전자 수용체 물질로 이동하고, 정공이 전자 주개 물질로 이동하면서 전하 분리가 계속됩니다.

이를 전자가 도달하는 음극으로 사용하여 장치가 만들어집니다. 일반구조 태양전지와 역구조 태양전지 모두 전하동기인 내부전위구배를 증폭시키기 위해 광활성층과 전극 사이에 전자수송층으로 ZnO, TiO2 등의 금속산화물을 삽입한다. 옮기다. 광활성층은 전자 주개 물질과 전자 받개 물질로 구성되며, 전자 주개층과 전자 받개층의 배열 방식에 따라 두 가지 배열로 구분된다.

전자주개층과 수용체층이 분리되어 있는 2층 구조와 전자주개층과 수용체 물질이 한 층에 혼합되어 있는 BHJ(Bulk-Heterojunction) 구조로 분류된다(그림 BHJ). 구조). 전자 수용체와 공여체가 만나는 계면의 표면적이 이중층 표면적보다 수백 배 크기 때문에 엑시톤 생성과 전하 수송에 매우 유리한 이점을 갖는다. 대부분의 유기태양전지에서는 이중층이 아닌 광활성층을 만드는 방식으로 BHJ 구조를 사용한다. 더 널리 사용됩니다. 는 주로 전자 공여체의 HOMO(최고 점유 분자 궤도)와 전자 수용체의 LUMO(최소 비점유 분자 궤도) 사이의 차이에 의해 결정됩니다[20].

그림 6. 유기태양전지의 구동 원리, Photo-induced charge transfer [16]

연구 목적

본론

실험

기판 준비
시료 준비
소자 제작
소자 특성 측정
Atomic Force Microscopy(AFM) 측정

광활성층과 전자수송막은 질소가 채워진 글러브박스 내에서 스핀코팅법으로 형성하였다. ZnO와 AgNW로 구성된 OMO 전극을 형성하는 과정은 다음과 같다. AgNW는 스핀 코팅과 스프레이 코팅의 두 가지 방식으로 코팅되었습니다.

스프레이 코팅법은 스프레이 높이를 조절하면서 300rpm으로 회전하는 기판에 1~4회 스프레이하여 AgNW층을 형성하였다. 태양광 시뮬레이터 전력은 표준 Si 포토다이오드 검출기와 KG-3(Newport Co, Oriel)을 사용하여 보정되었습니다. 특성은 소스측정(Keithley 2401)을 이용하여 측정하였고, 외부양자효율(EQE)은 Newport Co, Oriel IQE-200을 이용하여 측정하였다.

투과율은 Varian, Cary 5000 UV/Vis 분광계를 사용하여 측정되었습니다. AFM 측정을 위해 SII NanoTech의 Nano Cute를 사용하여 AgNW의 표면 이미지와 표면 거칠기를 측정했습니다.

그림 10. a) 솔라 시뮬레이터, b) Cary 5000 UV/Vis spectrometer

투과율 측정 결과

옷의 개수에 따라 전체 장치를 전송합니다. 코팅 횟수에 따른 장치의 전극 부분의 투과율.

AgNW 층의 최적화

Spin coating
Spray coating
Top oxide layer 의 유무에 따른 효율 비교
일반적인 Al 을 전극으로 사용하는 태양전지와 spin coating 과

따라서 두께 최적화 과정에서 고정되었던 후열 처리 온도를 변경하면서 OMO 전극의 열처리 온도에 대한 최적화 과정도 함께 진행하였다. 따라서 120℃에서 열처리 공정을 갖는 것이 P3HT:PC61BM의 손상을 최소화하고 소자 효율을 최대화하는 최적화 조건임을 확인하였다. 본 실험에서는 주입압력과 주입강도는 고정하였고, 주입높이와 주입횟수만 조정하여 최적화하였다.

스프레이 코팅을 최적화하는 과정은 형태에 가장 큰 영향을 미치는 스프레이 높이 설정부터 진행되었습니다. 스프레이 높이 최적화 실험에서는 스핀코팅 방법으로 얻은 두께 최적화 조건을 사용하였으므로 이러한 조건이 스프레이 코팅에도 적용되는지 확인이 필요하였다. 특성과 EQE 측정 결과를 토대로 3회 분사가 최적의 조건임을 확인하였다.

한번 착용했을 때보다 코팅이 더 촘촘해진 것을 확인할 수 있습니다. 이상의 결과를 바탕으로 스프레이 코팅의 최적 열처리 조건은 120℃임을 확인하였다. OMO 구조의 상부 산화층이 실제로 소자 효율을 향상시키는지 확인하기 위해 확인 실험을 수행했습니다.

AgNW 스핀 코터와 스프레이를 이용하여 OMO 구조의 전극을 제작하기 위한 최적화 공정을 수행하였다.

결론

참고문헌

Among the many possible candidates for BIPV, semi-transparent (if possible, fully transparent) solar cells based on organic semiconductors are the most prominent candidate. In this paper, we have demonstrated semitransparent polymer solar cells with solution-processable transparent oxide/metal/oxide electrodes using ZnO and conductive silver nanowires (Ag NW) by spin-coating or sputtering method. Based on the optimization process for both spin coating and spray coating, at present, we have achieved 2.2% power conversion efficiency from the semitransparent polymer solar cell based on poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) ( P3HT) and [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PC61BM) and is currently still under improvement.

English Abstract

감사의 글