유기태양전지의 효율개선방안 화학공학과 20021039 김장곤

태양전지 효율의 정의 에너지 전환 효율(PCE) PCE = Pmax / Pin = (Vp × Ip) / Pin = FF × (Voc × Isc / Pin) ※ FF = (Vp × Ip) / (Voc × Isc)

유기 태양전지의 원리 유기 태양전지의 구조

유기 태양전지의 원리 P/N 접합

유기 태양전지의 원리 광여기 전하 이동(PICT) Exiton Generation Exiton Diffusion 유기 태양전지의 원리 광여기 전하 이동(PICT) Exiton Generation Exiton Diffusion Exiton Dissociation Charge transport

유기 태양전지의 효율개선 재료 선택 및 배합 열처리 (Annealing) Buffer 층 삽입 박막 두께 조절

재료의 선택 Donor 물질의 선택 Acceptor 물질의 선택 - 광범위한 범위의 파장흡수 - 가시광 범위에서의 → 에너지 갭이 작은 소재의 선택 - 높은 전압차(기전력) 발생 → 에너지 갭이 큰 소재의 선택 Acceptor 물질의 선택 - 가시광 범위에서의 파장 흡수 최소화 - 강한 전자친화도 요망 → Exiton의 Recom- bination(재결합)방지 및 Dissociation

대표적인 재료 Donor 물질 PPV , PT 계열 Acceptor 물질 fullerene 유도체 Blending

P3HT and C60 흡광도

Bulk Hetero Junktion Donor / Acceptor 계면이 넓다!

Annealing 실험 데이터

Annealing : 효율이 향상되는 이유 1 결정성의 향상 Before 플러린분자가 결정형성방해 After 플러린 클러스터 형성 → Free region 발생 P3HT 결정화

Annealing : 효율이 향상되는 이유 2 전극에서의 계면 특성 변화 어닐링을 나중에 할수록 표면이rough Pre annealing 어닐링을 나중에 할수록 표면이rough → 계면면적증가,광산란에 의한 흡광증가 Pre – Post annealing Post annealing

Annealing관련 추가자료 Annealing 온도에 따른 전류특성변화 일정온도 이상에서 오히려 효율 감소 → 적절한 온도 설정

Annealing관련 추가자료 Annealing 시간에 따른 전류특성변화 일정시간이후 FF가 급격히 감소 → 효율감소

Schottky Barrier 에너지 장벽이 발생 접합 금속 N-type vacuum level eVbi eBn e es Ec EF EFi Ev vacuum level em es e Ec EF Ev eVbi xn=W depletion region eBn en 접합 금속 N-type 에너지 장벽이 발생

Buffer층의 삽입 Schottky Barrier 문제 해결 Donor (P3HT) ITO P E D O T S

자기조립 단분자막(SAM) 자기조립 박막이란? 분자가 자발적인 반응을 통해 특정 기질 표면에 흡수되어 화학적 결합을 형성하여 결정성 분자막을 이루는 것 ITO 기판에서는 아민 기능기를 가진 물질들이 자기조립을 한다는 것이 알려져 있다

자기조립 단분자막(SAM) SAM 의 예 플로렌 계열의 C60을 이용해서 기능기를 붙임으로써 분자레벨의 태 양전지를 형성하였다. 이 물질은 전자 받개의 능력을 갖고 있고 있 으며, 표면에 자기조립 형성이 가능하다. 박막의 두께 개선 투명성증가에 따른 광흡수

기타 효율결정 변수 음전극의 두께 박막의 두께 Tandem(적층) 구조

요 약 태양전지 연구의 중점사항 → 효율개선 효율개선을 위해서 Voc / Isc 값을 높이는 것이 관건 효율개선을 위한 방안 - 에너지갭과 광흡수도 Reduction Potential을 고려 한 재료의 개발 - 최적온도/시간에서의 Annealing을 통한 결정성 향상 - 박막의 두께를 컨트롤 할 수 있는 증착, 코팅기술 혹은 SAM 기술의 향상

Reference 유기 태양전지의 개발동향 및 전망 / 강문성 외 1명 / 2005 분자레벨에서 제작된 나노 태양전지 기술 / 이원주 외 2명 / 2006 유기박막 태양전지 재료 및 소자기술 동향 / 진병두 / 2006 Correlation between structural and optical properties of composite polymer/fullerene film for organic solar cell / Tobias Erb 외7명 / 2005 반도체성 유무기 복합재를 이용한 고효율 저가형 유기분자계 태양전지 개발 / 문상진 외 4명 / 2006 Dependences of Characteristics of Polymer Solar Cells Based on Bulk Heterojunction of Poly(3-hexylthiophene) and C60 on Composite Ratio and Annealing Temperature / Tokiyoshi Umeda외 5명 / 2006