후열처리 조건에 따른 고분자 태양전지의 효율특성에 관한 연구

하재영 대구가톨릭대학교 2009 국내석사

P3HT와PCBM을 기반으로 한 유기태양전지에서 광활성층의 후열처리에 대한 구조적인 특성 분석은 소자의 효율 향상을 위해 필수적이다. 다양한 열처리 조건에서 측정된 유기태양전지의 특성들 가운데 150 ℃에서 열처리된 소자는 광활성층의 구조적인 특성 향상으로 인해 electron donor와 electron acceptor 사이에서 일어나는 PICT 현상을 빠르게 진행시켜 소자내에서 전자와 정공의 재결합되는 문제점을 해결함으로써 소자의 효율을 향상시킬 수 있다. 본 실험에서는 ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al 구조를 갖는 유기태양전지를 제작하고 최적화된 온도에서 후열처리된 소자는 열처리를 하지 않은 소자보다 2배 정도 효율의 향상을 보였다. 이는 P3HT와 PCBM을 기반으로 한 태양전지에서 active layer의 후열처리에 대한 공정이 필수적이라 보여지며 이는 AFM 이미지와 XRD pattern을 통해 열처리 전과 후의 이미지와 결정성을 통해 P3HT:PCBM 박막의 구조적인 특성이 소자의 효율 특성에 가장 큰 함수로 작용한다는 것을 알 수 있다. 또한 150 ℃에서 열처리 전과 후의 topography 이미지를 비교한 결과 P3HT:PCBM 광활성층의 표면이 더욱 거칠어진 형상을 보인다. 이는 150 ℃에서 열처리 후 P3HT 층의 결정화로 인해 성장된 grain들과 비정질의 P3HT:PCBM 매트릭스 분산, 그리고 PCBM 클러스터의 재분포에 의한 것으로 사료된다. 또한 XRD pattern에서 열처리 후 P3HT의 결정성이 보이는데 이는 P3HT의 alkyl chain의 변화에 따른 결정화 현상이며 이러한 결정화 현상은 광여기된 전하들의 원활한 이동으로 소자의 효율을 향상 시키는 주요인으로 작용한다. The organic solar cells (OSCs) has drawn enormous interest as inexpensive renewable energy sources because it has many advantages, such as a low cost production, simple fabrication methode, and light weight compared to the conventional Si-based solar cells. One of the most important issues for OSCs is an improvement of the device efficiency because the relatively low efficiency is not yet sufficient for commercial applications. The efficiencies of OSCs are mainly limited by the low carrier mobility and short exciton diffusion lengths of organic. In order to increase the device efficiency, various investigations have been reported such as a postproduction treatment, morphology modification, enhancement of interface property, and the use of an optical spacer. We studied the effects of post-annealing treatment on poly(3-hexylthiophene) (P3HT, donor) : [6,6]-phenyl C61 butyric acid methylester (PCBM, acceptor) blend film as an active layer in the OSCs. For the formation of the active layer, 2 wt.% P3HT:PCBM solution in chlorobenzene was deposited by spin-coating method. In order to optimize the performance of OSCs, the P3HT crystallization and the redistribution of PCBM cluster at P3HT:PCBM composition as a function of post-annealing condition from room temperature to 200 oC were measured by the Atomic Force Microscope (AFM) images and the X-ray diffractometer (XRD) analysis. We believed that the improved efficiency in the OSCs with post-annealing treatment at 150 oC can be explained by the efficient separation or collection of the photogenerated excitons at donor-acceptor interface by P3HT crystallization.

Reduced Graphene Oxide Incorporated Nanoporous Conjugated Polymer Thin-Film based Organic Field-Effect Transistors for High-Performance NO2 Gas Sensor

신서영 전남대학교 2023 국내석사

In this study, we have described a simple method for enhancing the performance of organic field-effect transistor (OFET) sensors in NO2 sensing at room temperature through reduced graphene oxide (rGO)-incorporated nanoporous P3HT films using shear coating-assisted phase separation (SAPS) technique. The morphologies, microstructures, photophysical properties, and electrical properties of rGO-incorporated nanoporous P3HT films were investigated by atomic force microscopy (AFM), optical microscopy (OM), ultraviolet-visible (UV-vis) spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) analysis, Raman spectroscopy, and charge-carrier mobility measurements. The synergistic effect of P3HT pores acting as analyte diffusion pathways and rGO acting as adsorption sites resulted in a significant variation of the electrical properties of nanoporous P3HT/rGO OFETs upon exposure to NO2 gas molecules, implying the potential of OFETs as an efficient NO2 sensor. Specifically, the new nanoporous OFET sensors based on rGO-incorporated nanoporous P3HT films exhibited significantly improved responsivity with a value of ~61.3% for 10 ppm NO2 gas compared to those based on nonporous P3HT/PS/rGO composite films (~17.7%). Moreover, excellent response and recovery behaviors (response time = ~62 s and recovery time = ~145 s), high sensitivity (~1.48 ppm–1), and good selectivity were observed. 이 연구에서 우리는 전단 코팅 보조 상 분리(SAPS) 기술을 사용하여 환원 산화 그래핀(rGO)이 혼입된 나노 다공성 P3HT 필름 기반 유기 전계 효과 트랜지스터 (OFET) 센서를 통해 실온에서 NO2 감지 성능을 향상시키는 간단한 방법을 설명했습니다. 원자현미경(AFM), 광학현미경(OM), 자외선-가시광선(UV-vis) 분광법, X선 회절(XRD) 분석, 라만 분광법 및 전하 캐리어 이동도 측정을 통해 rGO가 혼입된 나노다공성 P3HT 필름의 형태, 미세구조, 광물리적 특성 및 전기적 특성을 조사했습니다. 분석 물질 확산 경로로 작용하는 P3HT 기공과 흡착 부위로 작용하는 rGO의 시너지 효과는 NO2 가스 분자에 노출되었을 때 나노다공성 P3HT/rGO OFET의 전기적 특성에 상당한 변화를 가져왔으며, 이는 효율적인 NO2 센서로서의 OFET의 잠재력을 암시합니다. 구체적으로, rGO가 포함된 나노다공성 P3HT 필름을 기반으로 하는 새로운 나노다공성 OFET 센서는 비다공성 P3HT/PS/rGO 복합 필름을 기반으로 하는 센서(~17.7%)에 비해 10ppm NO2 가스에 대해 ~61.3%의 값으로 크게 향상된 응답성을 나타냈습니다. 또한, 우수한 반응 및 회복 거동(반응 시간 = ~62초 및 회복 시간 = ~145초), 높은 민감도(~1.48ppm–1) 및 우수한 선택성이 관찰되었습니다.

Additive-induced morphology control in P3HT:PCBM bulk heterojunction organic solar cells

최원태 서울대학교 대학원 2012 국내석사

Organic Solar Cells(OSCs) based on conjugate polymers have begun to demonstrate their potentials as a route to flexible and low cost fabrication with reasonable power conversion efficiency. Notwithstanding the significant development, Organic Solar Cells represent low performance compared to inorganic counterparts due to their short exciton diffusion lengths and low electron and hole mobility. The Bulk Heterojunction (BHJ) geometry, which can provide a larger surface area and three-dimensional bi-continuous network morphology, is regarded as a promising device structure for surmounting the short exciton diffusion length and the carrier transport problems. Hence, morphology control of the active layer within BHJ OSCs is the key factor governing the device performance. Herein, the effect of solvent quality on the morphology of poly(3-hexylthiophene) (P3HT):phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PCBM) active layer was investigated. The solubility of the solvent can be modified by the injection of the additives into the P3HT:PCBM blend solution. The degree of P3HT crystallinity as well as PCBM domain size can be controlled via solubility control of the solvents. Based on Morphology adjustment, P3HT:PCBM bulk heterojunction solar cells were fabricated. A maximum power conversion efficiency of 3.24% was achieved, which is 43% enhancement compared to the reference, solar cell device fabricated from additive non-treated solution. 유기태양전지는 유연성, 저렴한 제작단가 등의 장점을 가지고 있다. 하지만, 유기물질들은 짧은 역이자 확산거리를 가지는 단점으로 인해 기존의 실리콘 기반의 무기태양전지에 비해 낮은 효율을 나타낸다. 이러한 단점을 해결하기 위해 벌크 이종접합 구조가 시도되었다. 벌크 이종접합 구조를 통해 유기태양전지의 활성층 내의 전자 주게 및 받게 물질들은 삼차원적 연속적 구조를 형성할 뿐만 아니라, 큰 접촉 면적을 구현할 수 있다. 따라서 벌크 이종접합 구조의 유기태양전지의 성능을 향상시키기 위해서는 활성층의 구조 제어가 필수적이다. 본 연구에서는 poly(3-hexylthiophene)(P3HT) 및 phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM)으로 구성된 벌크 이종접합 유기태양전지의 구조를 제어하기 위해 P3HT:PCBM 블렌드 용액의 용해도를 조절하였다. 이를 통해P3HT의 결정성 및 PCBM 덩어리의 크기를 제어할 수 있었다. P3HT 나노 와이어 및 작은 크기의 PCBM덩어리로 구성된 유기태양전지를 구성하였고, 전력변환효율 3.24%를 나타내었다. 이것은 기존의 P3HT:PCBM으로 구성된 태양전지에 비해 43%의 성능 향상을 나타내었다.

Synthesis and phase behavior of miktoarm star copolymers containing poly(3-alkylthiophene) (P3AT)

박지철 Pohang University of Science and Technology 2016 국내박사

Block copolymer has been received great attention due to its ability to form periodic microstructures which depend on the Flory-Huggins segmental interaction parameter (), the volume fraction (f) of one of blocks and the degree of polymerization (N). In addition, microstructures of block copolymers are strongly affected by macromolecular architecture. For example, miktoarm star copolymer, which consists of heteroarms with different chemical compositions and/or molecular weights emanated from a central core, has attracted great interest for its distinct phase behavior compared with linear block copolymer. While phase behavior of rod-coil linear block copolymers has been investigated for the past 10 years both experimentally and theoretically, there are a few reports for synthesis and phase behavior on the miktoarm star copolymers containing rod-type polymers due to synthetic difficulty. Therefore, the synthesis for miktoarm star copolymers containing rod-type polymers having narrow molecular weight distribution (PDI) is essential for systemic study of phase behavior. Among the various kinds of rod-like conjugated polymers, poly(3-alkylthiophene) (P3AT) is one of the most attractive polymers because of good solubility for various organic solvents and its high charge carrier mobility. In this thesis, I developed new synthetic methods for well-defined P3AT-containing miktoarm star copolymers. Also, I investigated phase behavior and morphologies for three different miktoarm star copolymers: (1) miktoarm star copolymer composed of two poly(3-hexylthiophene) (P3HT) arms and one poly(methyl methacrylate) (PMMA) arm (P3HT2PMMA), (2) miktoarm star copolymer composed of two poly(3-dodecylthiophene) (P3DDT) arms and one PMMA arm (P3DDT2PMMA), and another (3) miktoarm star copolymer composed of one P3HT arm and two PMMA arms (PMMA2P3HT). In chapter 2, I developed facile synthesis of P3HT2PMMA by copper (I)-catalyzed Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition click reaction between ethynyl end-functionalized P3HT and PMMA functionalized with two azides at one chain end (PMMA-(N3)2). Because of high reactivity between azides and terminal alkynes, coupling reaction between end-functionalized polymers was performed efficiently. When I employed slightly excess amount of ethynyl end-functionalized P3HT respectively, all the end-functional groups of PMMA-(N3)2 were reacted. The crude products were purified by column chromatography. As a result, I obtained neat P3HT2PMMA miktoarm star copolymers without any homopolymers. In chapter 3, I studied self-assembled microstructures of P3DDT2PMMAs with various weight fractions of P3DDT block (wP3DDT). P3DDT was chosen because P3DDT has moderate rod/rod interaction to induce phase separation of block copolymer. All P3DDT2PMMAs prepared by click reaction suggested in chapter 2 showed narrow PDI. The morphologies of P3DDT2PMMAs were observed by small angle x-ray scattering (SAXS) and transmission electron microscopy (TEM) and compared with that of linear diblock copolymers (P3DDT-b-PMMA). P3DDT2PMMA with wP3DDT of 0.33 showed lamellae (LAM), while P3DDT-b-PMMA with wP3DDT of 0.37 had hexagonally packed cylinder (HEX) of P3DDT. Also, P3DDT2PMMA with wP3DDT of 0.59 showed the HEX of PMMA in the P3DDT matrix, whereas P3DDT-b-PMMA with wP3DDT of 0.56 exhibited LAM. Interestingly, P3DDT2PMMA with wP3DDT of 0.76 had HEX of PMMA in the P3DDT matrix at molten state, and this morphology was maintained even after P3DDT crystallization. This is quite different from P3DDT-b-PMMA with the same wP3DDT because the latter has fibril morphology after P3DDT crystallization. In chapter 4, I investigated phase behavior of PMMA2P3HTs with various weight fractions of P3HT block (wP3HT). PMMA2P3HTs were synthesized via anionic coupling reaction. For this purpose, P3HT with two bromine groups (P3HT-Br2) was synthesized by Williamson reaction between hydroxyl-terminated P3HT and excess amount of tris(bromomethyl)benzene. Anionic coupling reaction between P3HT-Br2 and living PMMA anions gives PMMA2P3HTs having narrow PDI. The miktoarm architecture was chosen because its chain overcrowding at interface could induce microphase separation. The morphologies were investigated via TEM and SAXS. Sphere, HEX and LAM were observed depending on wP3HT, and this morphology was maintained even after P3HT crystallization. These results imply that macromolecular architecture is important to control the morphology of P3HT-containing block copolymers.

Fabrication and Characterization of Bulk Heterojunction Organic Solar Cells Using Poly(3-hexylthiophene) and Fullerene Derivatives

백운혁 명지대학교 대학원 2010 국내석사

최근 P3HT와 PCBM 을 이용한 유기태양전지는 세계 최대 6 % 이상의 효율을 나타내고 있으며 비약적인 발전을 거듭하고 있다. 하지만 유기물의 특성상 재료나 환경, 실험 조건이 효율 및 특성에 영향을 많이 미치는 것이 현실이다. 이에 본 연구에서는 P3HT와 PCBM을 이용하여 bulk heterojunction 구조의 유기 태양전지를 제작함에 있어 코팅 조건과 두 물질의 비율을 다양하게 함으로써 그에 따른 광활성층의 특성을 분석하였으며, 태양전지의 성능간의 관계를 알아보았다. 또한 일반적인 구조의 태양전지는 공기중에서 수명이 짧은 문제점이 있기 때문에 안정적인 무기물과의 조합을 통한 역구조의 태양전지를 제작하였다. 일반적으로 TiO₂는 전자만을 이송하는, 상온의 공기중에서도 안정한, 용액상태로 공정이 가능한 물질로 알려져 있다. 코팅 조건에 따른 실험은 일반적인 구조인 ITO / PEDOT:PSS / P3HT:PCBM / Al 구조에서 실행하였으며, 스핀 코팅시에 광활성층의 두께는 같고 용매의 증발속도를 다르게 하기 위해 P3HT와 PCBM의 비율은 1:1로 고정한 상태에서 1, 2, 3 % 의 질량 비율로 용매인 chlorobenzene에 녹여 광활성층을 준비하였다. 비율에 관한 실험은 3 % 의 부피:질량 비율로 섞은 P3HT와 PCBM을 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 %까지 P3HT의 부피 비율을 조절해가며 준비하였다. 위 실험을 통하여 용매의 증발속도와 광활성층을 이루는 두 물질의 비율에 따라 변하는 특성을 관찰하였으며, 그에 따른 태양전지의 효율 변화를 분석하였다. 역구조의 태양전지는 ITO / TiO₂ / P3HT:PCBM / (PEDOT:PSS) / Au (Ag)구조로 제작하여 실험하였으며, TiO₂의 표면적을 증가시켜 전자의 이송을 용이하게 하여 효율을 향상시키는 실험과 일반적인 구조의 태양전지와의 비교 실험, 다양한 금속을 전극으로 사용한 비교 실험, 제작된 태양전지의 공기중에서의 열화실험 등에 대해 진행하였다. Focused on phase separation and morphologies of poly(3-hexylthiophene) (P3HT): [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM) active layers, we studied effect of preparation conditions of the active layer on photovoltaic (PV) performance by changing concentration of P3HT:PCBM in the solvent. The performances of the cells varied depending on concentration of P3HT:PCBM (1:1 ratio by weight) in solvent even with the same thickness. The P3HT:PCBM active layer is prepared in cell structure of ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al by changing spin coating speed with different concentrations (1, 2, 3 wt%) in chlorobenzene. Here, it was found that both the P3HT:PCBM concentrations and spin coating conditions affected the crystalline structure formation, interchain interaction, morphology and phase separation during drying process of solvent and subsequent annealing. PV devices with highly ordered nanoporous titanium dioxide (titania; TiO₂) were fabricated to improve the PV performances by increasing TiO₂ interface area. Nanoimprinting lithography technique with polymethyl methacrylate (PMMA) mold was used to form titania nanopores. The solar cell with P3HT:PCBM active layer on nanoporous titania showed higher power conversion efficiency (PCE) of 1.49 % than on flat titania of 1.18 %. The improved efficiency by using nanoporous titania is interpreted with the enhanced charge separation and collection by increasing interface area between TiO₂ and active layer. Phase separation of the P3HT and PCBM active layer was investigated by varying its relative ratio in the bulk heterojunction (BHJ) organic solar cells (OSCs). The UV/visible absorption spectra of P3HT and PCBM were proportional to their compositions in the active layer. However, the crystallinity of P3HT, characterized by X-ray diffraction (XRD), improved with increasing composition up to 50 wt%, but then degraded upon any further increase in its composition above 50 wt%. This unique phenomenon corresponded to the microstructure of the layer, which was analyzed using transmission electron microscopy (TEM). The fraction of the highly ordered fiber structure of P3HT increased as the P3HT composition increased up to 50 wt% and decreased as the composition increased further, which was in accordance with the XRD results. The microstructure of the P3HT:PCBM active layer, determined by the composition dependent phase separation, supported the optimized performance of the OSCs with the active layer composition of 50 % P3HT and 50 % PCBM. We improve stability and efficiency of OSCs by using thermally stable fluorine-doped tin oxide (FTO) as a bottom electrode and by inserting poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) and TiO₂ as buffer layers to reduce oxygen diffusion to the active layer. 4.3% of maximum power conversion efficiency with stable performance which retaining over 65% of its initial efficiency after 500 h were obtained in the inverted structure of FTO/TiO₂/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/Ag. In addition, OSCs fabricated by all-solution based vacuum-free processings by introducing screen printing for Ag electrode represented comparable results with those from the device using evaporated Ag electrode.

Poly(3-hexylthiophene)와 Polyhedral oligomeric silsesquioxane을 사용한 박막 트랜지스터

오제승 연세대학교 대학원 2006 국내석사

The organic thin film transistor is not adaptable for applications that require high mobility of inorganic material, which is based on silicon. This is because of its characteristic of having low mobility. We experimented on inorganic semiconductors that we fabricated. These semiconductors were P3HT and POSS, which are semiconductors that are widely used. These experiments were conducted in order to improve the weak characteristic of low mobility. For the fabrication of the device, we dissolved the P3HT and POSS individually in Chloroform. The source and drain electrodes were made into Gold by thermal evaporation using a metal shadow mask. The organic thin film was made by the spin coating method.The electrical measurement of the P3HT and P3HT/POSS devices showed p-type semiconductor characteristics. The P3HT/POSS device displayed better carrier mobility and conductivity than the P3HT device. X-ray diffraction data showed that the P3HT organic thin film had higher crystalilty in comparison to the PH3T/POSS organic thin film. 유기박막 트랜지스터는 유기반도체의 특성상 전하 이동도가 낮아 기존의 실리콘 중심의 무기물을 이용한 빠른 속도가 요구되는 곳으로의 응용은 적합하지 않다. 이러한 단점을 보완하기 위해 유기반도체들 가운데 많이 사용하고 있는 poly(3-hexylthiophene)(P3HT)를 이용하여 만들 용액과 polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)를 이용하여 만든 두 용액을 혼합하여 P3HT/POSS 유기 박막 소자를 제작하여 P3HT 유기박막 소자와 측정하여 비교 실험을 하였다.소자제작은 두개의 고분자물질을 각각 chloroform에 녹여서 용액을 준비한 다음 부피비 2:1로 혼합한 후 사용하였으며, source, drain 전극은 열증착 방식으로 금속 쉐도우 마스크를 사용하여 Au 전극을 만들었으며, 스핀코팅방식을 이용하여 박막을 만들었다.P3HT 소자와 P3HT/POSS 소자 두 종류의 소자를 측정한 결과 모두 p-형 반도체의 특성을 보였으며, X-ray diffraction측정을 통하여 P3HT/POSS 박막 트랜지스터가 P3HT 박막 트랜지스터 보다 박막의 결정성이 개선 된 것으로 나타났고, 전기적인 특성 측정 결과 P3HT/POSS 박막 트랜지스터가 P3HT 박막 트랜지스터보다 더 높은 전하 이동도, 전도성을 나타내었다.

정공수송물질과 P3HT의 블렌드에 의한 다층막 EL 소자의 전기-광학적 특성에 관한 연구

김대중 전남대학교 대학원 2003 국내석사

유기 Electroluminescnce(EL)은 유기물 박막에 음극과 양극을 통하여 주입된 전자와 정공이 재결합하여 여기자를 형성하고, 형성된 여기자로부터의 에너지에 의해 특정한 파장의 빛을 발생하는 현상으로 1963년 anthracene의 단결정에서 처음 발견되었다. 저전압구동, 자기발광, 경량-박형, 넓은 시야각, 그리고 빠른 응답속도 등의 장점을 가진 유기 EL 디스플레이는 최근 2-3년 동안 일본과 유럽, 미국 등에서 그 실용화에 박차를 가하고 있으며, 국내에서도 기업, 연구소를 중심으로 제품화를 위한 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다. 유기물로 제작된 EL 소자는 유기물의 합성 방법이 다양하고 합성된 분자의 성질을 그대로 나타나므로 전색화가 가능하다. 그러나 단분자를 이용한 발광 소자는 기계적 강도가 낮고, 열에 의해 결정화가 일어나는 단점이 있어 이를 보완하기 위해 고분자를 이용하게 되었다. 본 논문에서는 적색 발광 고분자 재료인 poly(3-hexylthiophene)[P3HT]를 합성하여 그 광학적 특성과 합성한 P3HT를 발광층으로 소자를 제작하여 발광 특성 향상에 관하여 연구하였다. 합성한 P3HT의 분자 형태를 ^(13)C-NMR과 ¹H-NMR로 분석한 결과, HT-HT의 규칙적 배열 형태를 78%이상 포함하였다. 합성한 P3HT의 흡수 스펙트럼에서 구한 광학적 에너지 밴드갭은 2.05eV이고, 순환 전압-전류법을 이용하여 진공 준위 기준으로 환산하여 HOMO준위가 4.9eV임을 알 수 있었다. 소자 구조로서, 음극과 양극사이에 합성한 P3HT를 삽입하여 단층구조를 제작하였다. 이 경우는 발광층이 정공과 전자수송기능도 동등하게 가지게 되지만, 고효율 발광을 얻기는 어렵다. 따라서 효율적인 유기 EL 소자를 제작하기 위해서 전극과 발광층 사이에 정공 및 전자수송층을 삽입하여 재결합에 의한 발광 영역이 발광층내로 제한되는 다층막 EL 소자를 제작하여 전기-광학적 특성을 분석하였다. 먼저, 발광층의 발광 효율을 향상시키기 위해 hole transport/electro blocking 특성을 갖는 정공수송 물질인 poly(N-vinylcarvazole)(PVK)N,N'-diphenyl-N,N'-(3-methylpnenyl)-1, 1'-biphenyl-4,4'-diamine)(TPD)를 합성한 P3HT와 각각 블렌드하여 발광층을 제작하였다. 블렌드 비율은 정공수송물질(host)을 1에서 30%, 50%증가시켰고, 주 발광 재료인 P3HT(guest)는 이와 반대로 감소시켜 블렌드하여 스핀코팅법으로 발광층을 제막하였다. 정공수송 물질의 양을 증가함에 따라 P3HT로의 에너지 전달이 더 활발히 일어나는 것을 실험을 통하여 알 수 있었다. 각각의 중첩 면적을 계산한 결과, PVK와 P3HT의 중첩 면적은 약 0.38×10^(10)nm²였고, TPD와 P3HT의 중첩 면적은 약 1.05×10^(10)nm²로 TPD가 PVK보다 P3HT와의 중첩 면적이 약 2.5배 이상이 더 겹치는 것을 알 수 있었다. 다층막 EL소자 구조는 전기-광학적 실험을 통하여 ITO/blending layer(TPD 50%↑+P3HT 50%↓)/Alq₃/LiF/Al을 적용하였다. 제작한 소자의 전류-전압-휘도 특성에서 턴-온 전압은 2V였고, 10V에서 10μW/cm²의 발광강도를 나타냈으며, CIE 색좌표를 측정한 결과 X=0.658, Y=0.324로 CRT에서 표준으로 사용하는 X=0.64, Y=0.33의 적색 좌표와 거의 유사한 값을 나타내었다. Efficient electroluminescence(EL) from an organic solid was first demonstrated in the early 1960s in thick(50㎛ to 1mm) crystals of anthracene. Although the EL quantum efficiency of those early devices reached 8%, they were impractical due to their high operating voltages(50-1000V). In the following two decades, a number of studies of carrier injection and transport through both pristine and doped organic crystals ensued. Building practical organic light-emitting devices(OLEDs), however, remained a challenge until 1987 when the first vacuum-deposited OLEDs with the voltages(<20V) were reported(Tang and VanSlyke, 1987). The panels use the three primary colors, and the green and blue colors have offered commercial-level lives of tens of thousands of hours. Red, on the other hand, has offered a short life of only 2,000 or 3,000 hours, and poor emission efficiency to boot. The higher efficiency means that lower currents can be used to attain the needed brightness, which reduces the load on the organic EL device. We have synthesized Poly(3-hexylthiophene), which is the most famous conducting polymer and studied the optical properties of P3HT for applying to the red emitting materials of organic electroluminescent device. The device is fabricated on ITO glass substrate by photolithography, wet etching. Usually, an organic EL device is composed of single layer like anode/emitting layer/cathode, but additional layer such as hole transport, electron transport and buffer layer is deposited to improve device efficiency and lifetime. First, we fabricated the single layer EL device of ITO/P3HT/Al using synthesized P3HT as emitting material and then inserted lithium fluoride(LiF) by buffer layer. A thin buffer layer deposited between an organic layer and Al cathode has been shown to greatly enhance the electron injection and the EL efficiency. And we present the experimental evidence of the enhancement of the Forster energy transfer interaction in emitting layer. The structure is ITO/blending layer/LiF/Al EL device in which hole transport/electron blocking materials, poly(N-vinylcarvazole)(PVK) and N,N'-diphenyl-N,N'-(3-methylpnenyl)-1, 1'-biphenyl-4,4'-diamine)(TPD) were blending, respectively. We demonstrate the enhancement of electroluminescence from blends of P3HT in PVK and TPD. To observe the surface morphology of blending layer. we measured the AFM according to blending rate and estimated the overlap area between PL spectrum of host(PVK, TPD) and Absorption of guest(P3HT). As a result, there was a strong overlap of the peak in the PL spectrum of TPD than PVK. We observed luminescence predominantly at wavelengths associated with emission from Hole transport materials, indicating that energy transfer is taking place. Finally, red emitting multilayer EL devices were fabricated using tris(8-hydroxyquinolinate) aluminum(Alq₃) as electron transport material. A device structure of ITO/blending layer(TPD 50%↑+P3HT 50%↓)/Alq₃/LiF/Al was employed. In the voltage-current-luminescence characteristics of multilayer device, the device turn on at the 2V and the luminescence of 10μW/cm² obtain at 10V. Red emission peak at 640nm was observed with this device structure, and the red light indicates the CIE coordinate X=0.658, Y=0.324. Consequently, We have presented clear evidence that the excitation energy migration between a polymeric host and guest has to be explained. And by using multilayer, the red light emitting EL device enhances not only Voltage-Current-Luminance characteristics but also stability of device.

Nanoimprinting 공정조건 변화에 따른 P3HT의 성형성에 관한 연구

김신 단국대학교 대학원 2011 국내석사

최근 화석연료 사용에 따른 온실 가스 배출 등 환경문제에 따라 깨끗하고 환경 친화적인 대체 에너지 개발이 이루어지고 있다. 그중에서 태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자로서 빛이 있는 곳이라면 어디서나 전기를 생산할 수 있는 가장 친환경적인 전력원으로 주목 받고 있다. 태양전지의 종류로는 크게 2가지로 나누어 볼 수 있는데, 실리콘 계열의 무기태양전지와 무기태양전지의 실리콘을 고분자로 대체한 유기태양전지가 있다. 유기태양전지에 사용되는 전도성 고분자로는 P3HT가 가장 많이 사용되고 있으며, 실리콘을 고분자로 대체하여 유연하다는 장점을 가지고 있어 BIPV 시스템 및 운송수단, 의류 등에도 사용 할 수 있다. 하지만 무기태양전지에 비해 효율이 낮다는 문제점을 가지고 있다. 따라서 효율을 높이기 위한 방법으로 태양전지의 구조변경, 전도성 고분자의 물성 변화 등 연구가 진행되고 있으며, 나노패턴을 응용한 유기태양전지의 연구도 진행되고 있다. 엑시톤의 diffusion length에 가까운 나노패턴을 성형함으로써, 표면적 증가 및 보다 많은 전자와 정공의 포집에 따라 효율향상에 영향을 준다. 본 논문에서는 나노 패턴을 성형하기 위하여 양극산화 알루미늄을 제작하고, 그것을 마스터로 사용하여 반복 성형이 가능한 니켈 스탬퍼로 전주 공정을 통하여 제작하였다. 니켈 스탬퍼의 나노 패턴의 평균 크기는 AFM 측정결과 지름이 73 nm, 깊이가 83 nm로 측정되었다. 제작된 스탬퍼를 사용하여 유기태양전지의 활성층에 사용되는 전도성 고분자인 P3HT가 코팅된 기판에 패턴 성형을 위한 실험은 나노 임프린트 리소그래피 기술 중의 하나인 핫 엠보싱 공정을 적용하여 수행하였다. 성형 후 이형시 P3HT가 스탬퍼에 붙어 기판과 박리되는 문제점이 발생하였으며, 이것을 해결하고자 기판에 나노패턴을 성형하고 P3HT를 코팅하여 성형 실험을 진행하였다. 나노 패턴을 성형하는데 있어 핫 엠보싱 공정 인자인 압력, 온도, 시간의 변수에 대하여 전사성 변화를 알아보고자 하였다. 본 실험에서 사용한 P3HT의 경우 실험 범위 내에서 압력과 온도증가에 따라 전사성이 증가한다는 유사한 경향을 보이고 있으나, 압력의 영향이 온도의 영향보다 큰 것으로 나타났다. 또한, 시간의 영향으로는 5분과 10분 사이에 전사성이 34.14%에서 49.10%로 변화는 크나 10분과 15분 사이에서는 49.10%에서 49.97%로 큰 변화가 없었다. 따라서 전도성 고분자인 P3HT에 나노패턴 성형시 성형실험 범위 내에서 전사성 변화에 가장 큰 영향을 주는 인자순으로는 압력, 온도, 시간의 순으로 확인할 수 있었다. A solar cell is a solid state device that converts the energy of sunlight directly into electricity by the photovoltaic effect. The solar cell can be classified as organic and inorganic by the substance. Organic solar cell has a lower efficency one. Recently, many researches for improving the efficency of organic solar cell have been concentrated on the development of active layer with nano pattern on the surface. P3HT is a major conjugated ploymer used on active layer. For the fabrication of nano patterned products manufacturing a nano patterned stamper is needed in advance. AAO master was made by two step anodization method and the final nano patterned stamper was fabricated by elecroforming the AAO master within nickel. The surface of nickel-plated stamper had nano-patterned holes with the diameter of 73 nm and the depth of 83 nm. Hot embossing was used for forming P3HT sheet and the process factors of hot embossing were closer as pressure, temperature and time. In the present paper hot embossing experiments were performed to find the main process conditions to affect the replication ratio of nano patterns on surface of P3HT sheet. As a result, main contributing factors for the replication ratio of hot embossed pattern could be sequentially enumerated as pressure, temperature and time.

고분자 기반 유기태양전지에서 전자주개물질과 전자받개물질의 비율에 따른 영향

이해봉 건국대학교 대학원 2014 국내석사

본 논문에서는 전자주개물질과 전자받개물질의 혼합비율을 달리하여 광학특성을 측정하고, 이들 소자의 광전변환효율과 동작특성, 외부양자효율을 정밀측정했다. 이를 통해 흡광과 전하광생성이 효율과 어떤 상관관계가 있는지 규명하였다. 전자주개물질로는 P3HT를, 전자받개물질로는 PCBM과 ICBA를 사용하였다. 전자주개물질과 전자받개물질의 혼합비율을 0.0 ∼ 100.0 %까지 다양하게 하여 소자를 제작하였다. 전자주개물질에서 첨가한 전자받개물질의 혼합비율이 증가함에 따라 흡광은 정량적으로 증가하지만, 형광은 감소하는 경향을 보인다. 특히 형광은 10.0 %의 혼합비율까지 급격히 감소하여 엑시톤 분리효율은 10.0 %에서 최대값에 이르는 것을 알 수 있다. 이는 400 ∼ 600 nm 영역에서 나타나는 외부양자효율의 증가에서도 확인할 수 있다. 전류-전압특성을 측정한 결과에서 전자받개물질의 혼합비율이 증가함에 따라 단락전류밀도와 채움인자가 증가하여 41.0 %에서 광전변환효율이 최대값을 나타낸다. 이를 통해 엑시톤 분리효율이 최대값에 이르는 혼합비율과 최대 광전변환효율이 나타나는 혼합비율이 다르다는 것을 알 수 있다. 이는 분리된 전하의 수송과 각 전극에서 수집효율의 영향으로 추측된다. 개방전압은 전자받개물질이 낮은 혼합비율에서 P3HT만을 광활성층으로 사용한 소자보다 작은 값을 나타내어 전자주개물질의 HOMO와 전자받개물질의 LUMO 차이 이외에 다른 결정인자가 있음을 확인 할 수 있었다. In this study, devices with various blending ratio of donor and acceptor were fabricated, their optical properties were also characterized, and device performance and quantum efficiency were measured. In addition, absorption and photovoltaic efficiency were investigated in order to find out the relation between these two properties. The blending ratio between donor P3HT and acceptor either PCBM or ICBA was adjusted from 0.0 to 100.0%. While the absorption intensity of P3HT bands decrease linearly with increasing acceptor blending ratio, photoluminescence intensity decreases drastically. Already about 90% of photoluminescence intensity was decreased by about 10% of acceptor blending ratio. From J-V characteristics, the Jsc and FF increase according to the increase of acceptor blending ratio, and the highest power conversion efficiency was found at 41.0% blending ratio. The mismatching of blending ratio between the exciton dissociation efficiency estimated by photoluminescence quenching and the highest current density estimated by J-V measurements could be explained by charge transfer and collection efficiency due to better transport channel formation at higher acceptor blending ratio. In addition, Voc was changed over wide range due to the increasing of acceptor blending ratio in active layer. This suggests that there are more complicated factors being crucial to determine Voc not only the difference between electron donor’s HOMO and electron acceptor’s LUMO being often used to discussed device parameter in many literatures. Finally more detailed device behaviors upon changing of blending ratio in the active layer of bulk heterojunction organic solar cells were obtained by this study and the results of this study gives more clear insight to understand the complex system. This could provide additional contribution towards to achieve higher efficiency having organic solar cells.

Solvent effects on electrical properties of hole-transporting layer in perovskite solar cells

Tran, Vo Ha Chi Sungkyunkwan university 2020 국내석사

The effect of organic solvents on the crystalline structure of the hole-transporting poly(3-hexylthiophene) (P3HT) layer of perovskite solar cells (PSCs) was investigated in this study. UV-visible absorption spectroscopy revealed a higher degree of aggregation of P3HT in polar solvents such as chloroform and tetrahydrofuran (THF), resulting in a high degree of crystallinity. The electrical conductance of F4-TCNQ-doped P3HT hole-transport layers was approximately twice as high in THF, compared to other conventional solvents such as 1,2-dichlorobenzene (DCB). The effective reduction of the residual PbI2 on the perovskite surface was observed using X-ray diffraction analysis. The use of THF as the solvent improved the efficiency of the P3HT:F4-TCNQ hole-transporting layer to 13.54% from that of 9.94% with DCB. In addition, the stability was increased when using THF, and the efficiency was maintained at over 80% of the initial value after 1,080 h at 85 ºC and relative humidity of 40% without encapsulation, whereas 50% of the initial efficiency was lost when DCB was used. The use of THF as the solvent not only controls the crystalline structure of P3HT but also reduces the residual PbI2 on the surface of the perovskite, thereby increasing the efficiency and stability of the PSC. 페로브스카이트 태양 전지 (PSC)의 정공-수송 폴리 (3-헥실티오펜) (P3HT) 층의 결정 구조에 대한 유기용매의 영향을 조사하였다. UV-가시적 흡수 분광법은 클로로포름 및 테트라 하이드로 푸란 (THF)과 같은 극성 용매에서 P3HT의 높은 응집도를 나타내어 높은 결정화도를 나타냈다. F4-TCNQ-doped P3HT 정공수송층의 전기 전도도는 1,2-디클로로 벤젠 (DCB)과 같은 다른 통상적인 용매와 비교하여 THF에서 대략 2 배 높았다. 페로브스카이트 표면상의 잔류 PbI2의 효과적인 감소는 X-선 회절 분석을 사용하여 관찰되었다. 용매로서 THF를 사용하면 PBHT : F4-TCNQ 정공수송층의 효율이 9.94% 에서 13.54% 로 개선되었다. 캡슐화 없이40%의 상대 습도와 85℃에서 1080시간 후 THF는 효율이 80%로 유지되었다. 반면 DCB는 초기 효율의 50 %가 손실되었습니다. 용매로 THF의 사용은 P3HT의 결정 구조를 제어할 뿐만 아니라 페로브스카이트 표면의 잔류 PbI2를 감소시켜 PSC의 효율 및 안정성을 증가시킨다.