전하 수송 능력 향상을 위한 유기태양전지 층간 소재 합성 및 특성 연구 = Synthesis and Characterization of Organic Solar Cell Interfacial Layers for Improving Electron Transport Ability

국문 초록 (Abstract)

유기태양전지는 경량, 저비용, 기계적 유연성 등의 장점들로 많은 관심을 받고 있다. 전극으로의 이동도를 높이기 위해 유기태양전지의 층간 소재에 대한 연구가 많이 이뤄지고 있다. 무기 물질인 금속산화물은 높은 전자 이동도와 화학적 안정성, 투명도 등등의 장점을 가져 층간 소재로 많이 적용되어 왔지만 유기 광활성층과의 비 호환성, 고온 공정의 필요성 등의 이유로 소자의 성능을 저해하는 요인을 가지고 있다. 이러한 단점들을 보완하기 위해 유기층간소재가 개발되어 왔고, 현재에 와서는 공정성과 에너지 정렬 등등의 장점을 가지는 물/알코올 용해성 공액 고분자가 주목 받고 있다.
본 연구에서는 NDI와 fluorene을 가지는 D-A구조에 spacer로 thiophene과 selenophene을 도입하여 두 고분자의 중합을 진행하였다. 두 종의 고분자를 GPC, TGA, DFT, UV-vis spectroscopy, cyclic voltammetry(CV), AFM을 통해 특성 평가를 진행하였다. Selenophene을 도입한 고분자가 thiophene을 도입한 고분자 보다 대체로 우수한 특성을 나타내었다. ITO/PEDOT:PSS/PM6:Y6-BO-4Cl/ETL/AG 구조의 소자를 제작하였고, PNDIT-F3N과 PNDISe-F3N 소재 각각, 15.71%, 15.05%의 PCE 특성을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Organic solar cells are receiving much attention for their advantages such as lightweight, low cost, and mechanical flexibility. In order to increase the mobility to electrodes, a lot of research is being conducted on interlayer materials of organic solar cells. Metal oxide, an inorganic substance, has been widely applied as an interlayer material due to its advantages such as high electron mobility, chemical stability, transparency. But it has factors that hinder the performance due to incompatibility with organic photovoltaic layers and the necessity of the high-temperature process. Organic interlayer materials have been developed to compensate for these shortcomings, and water/alcohol soluble conjugated polymers, which have advantages such as processability and energy alignment, are attracting attention.
In this study, the polymerization of the two polymers was carried out by introducing thiophene and selenophene as spacers in the D-A structure with NDI and fluorene. The two types of polymers were evaluated through GPC, TGA, DFT, UV-vis spectroscopy, cyclic voltametry (CV), and AFM. Polymers with Selenophene generally showed superior characteristics to polymers with thiophene. ITO/PEDOT:PSS/PM6: Y6-BO-4Cl/ETL/Ag structure was fabricated, and PNDIT-F3N and PNDISe-F3N materials, respectively, showed PCE characteristics of 15.71% and 15.05%.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제2장 이론적 배경 5
• 제1절 유기태양전지 5
• 1. 유기태양전지의 역사와 원리 5
• 2. 유기태양전지의 구조 10
• 3. 유기태양전지 특성평가 12
• 4. 유기태양전지의 층간 소재 도입 15
• 4.1 유기태양전지 무기 전자 수송층 소재의 역할과 한계 15
• 4.2 유기태양전지 고효율을 위한 물/알코올 용해성 공액 고분자의 역할 16
• 제2절 합성 방법 18
• 제3절 장비 및 측정방법 20
• 제4절 유기태양전지 소자 제작방법 21
• 제3장 물/알코올 용해성 유기태양전지용 공액 고분자 22
• 제1절 합성 22
• 1. 모노머 합성 22
• 2. 고분자 합성 32
• 제2절 결과 및 고찰 35
• 1. 고분자 합성 및 물성분석 35
• 2. 광학적 특성 분석(UV-vis spectroscopy) 41
• 3. 전기화학적 특성 분석(CV) 44
• 4. Photovoltaic 특성 47
• 5. Morphology 특성 55
• 6. 결론 57
• 참고문헌 58
• 국문초록 64