전력변환효율 향상을 위한Liq/BCP전자 수송 이종 층을 사용한 유기태양전지 = Enhancement of the power conversion efficiency for organic photovoltaic cells with a Liq/BCP electron transport bilayer

국문 초록 (Abstract)

최근 화석연료의 고갈과 지구온난화 등 환경파괴 문제로 인해 청정 대체 에너지원의 확보가 국가적인 주요현안으로 대두되고 있다. 태양 에너지는 인류가 이용할 수 있는 에너지 중에서 환경파괴를 일으키지 않는 청정에너지원이다. 그렇기 때문에 태양전지의 끊임없는 연구들은 통해 태양전지 소자들의 성능이 꾸준히 향상되어 왔다. 이런 많은 연구를 통한 기술발전에서 간과하지 말이야 될 사항은 상용화를 위한 공정 가격이다. 아무리 성능이 뛰어나는 소자가 존재 하더라도 그 공정 가격이 매우 비싸다면 이는 사용하기가 어려워질 것이다. 이런 문제점의 해결책으로 저가 공정뿐만이 아니라 휘어짐이 가능한 유기 태양전지는 가파를 추세로그 성장속도가 증가하고 있다.
본 연구에서는 전자 수송층이 낮은 전하 이동도의 문제점을 해결하기 위한 Liq/BCP 이종 전자 수송층을 사용하는 태양전지(OPV CELL 또는 Organic Photovoltaic cell)를 게시하였다. Donor 역할의 P3HT와 Acceptor역할의 PCBM 나노 입자를 특정 용매에 녹여 ITO가 코팅된 glass가판 위에 스핀 코팅 방법을 이용하여 제작하였다. 황성층 위에 CVD 방식으로 Liq, BCP, Liq/BCP 를 증착하였다. 증착된 전자 수송층 시료에 따른 특성변화를 분석하였다.
소자의 전류-전압 곡선 특성에서는 광 상태에서 다이오드 특성이 나타나는 것을 확인 할 수 있었고, Liq/BCP bilayer를 사용하지 않는 소자의 I-V곡선과 비교한 결과 Liq/BCP bilayer를 사용하지 않는 소자가 불안정한 I-V 곡선을 나타나는 것을 확인 하였다. 이를 통해 Liq/BCP bilayer이 태양전지 I-V 곡선의 특성을 나타내는데 중요한 역할을 하는 것으로 분석되었다. 또한 absorption 광 흡수율을 통한 Liq/BCP bilayer를 사용한 OPV 소자의 여러 물성 측정을 통해 각각 다른 absorption 곡선이 나타나는 것을 확인 하였다. 이러한 결과들은 고분자 물질의 간단한 스핀 코팅 공정과 CVD를 통해 박막 형태로 제작한 고분자 태양전지 소자가 차세대 태양전지 소자로써 활용이 가능하며, 간단하고 저가의 공정을 통해 공정 시간과 비용을 단축 할 수 있는 소자 제작이 가능함을 보여주었다. 또한 물성 특성을 분석함으로써 태양전지 원리를 이해하여 유기 태양전지의 신뢰성을 높일 수 있는 가능성을 보여주었다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 목 차 i
• 그림목차 및 표 목차 iv
• 국문요지 vi
• 제 1 장 서론 1
• 1.1. 미래의 청정 에너지 선구주자 태양에너지 1
• 1.2. 태양전지의 역사 3
• 제 2 장 태양전지의 동작 원리 4
• 2.1. 태양전지의 구조 4
• 2.2. 태양전지의 작동 원리 5
• 2.3. 태양전지의 개념 및 특성 7
• 2.3.1. 태양전지의 전류-전압 곡선 7
• 2.3.2. 대기질량(Air Mass) 8
• 2.3.3. 단락전류(JSC) 9
• 2.3.4. 개방전압(VOC) 10
• 2.3.5. 곡선인자(FF) 11
• 2.3.6. 전력변환 효율(PCE) 및 외부 양자효율(IPCE) 12
• 2.3.7. 직렬저항(RS) 13
• 2.3.8. 병렬저항(RSH) 14
• 2.3.9. 등가 회로 15
• 제 3 장 태양전지의 종류 및 특성 16
• 3.1. 태양전지의 종류 16
• 3.2. 실리콘 태양전지 19
• 3.3. 화합물 박막 태양전지 22
• 3.3.1 기판(Substrate) 24
• 3.3.2 배면전극(Back contact) 24
• 3.3.3 광 흡수층(Absorption layer) 25
• 3.3.4 버퍼 층(Buffer layer) 27
• 3.3.5 창층(window layer) 28
• 3.3.6 반사 방지막과 전극(Anti-reflection layer, Electrode) 28
• 3. 4. 유기 태양전지 29
• 3.4.1유기 태양전지의 구조 29
• 3.4.2유기 태양전지의 Donor 와 Acceptor 물질 32
• 3.4.3유기 태양전지 작동 원리 34
• 3.4.3.1광 흡수(Absorption) 34
• 3.4.3.2전하 분리 (Charge separation) 36
• 3.4.3.3전하 수집 (Charge collection) 37
• 제 4 장 실험방법 39
• 4.1. 유기 태양전지 소자의 제작 39
• 4.1.1. 전자 주게 받게 물질 및 밴드 모형 39
• 4.1.2. 양극 기판 40
• 4.1.3. hole buffer 층 41
• 4.1.4. 광 흡수층 42
• 4.1.5. 전자 수송층 및상 부 전극 증착 43
• 4.2. 측정 기기 45
• 제 5 장 실험 결과 및 고찰 46
• 5.1. 연구 목적 46
• 5.2. 광학적 특성 분석 47
• 5.3. J-V 곡선 분석 50
• 제 6 장 결론 52
• 참고문헌 54
• Abstract 56
• 연구 윤리 서약서 58
• Declaration of Ethical Conduct in Research 59