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Title Page
Contents
국문요약 15
Abstract 17
1. Introduction 19
1.1. Organic photovoltaic technology 19
1.1.1. Emerging technologies for organic photovoltaics 19
1.1.2. Application and future direction of OPVs 22
1.1.3. Recent trends and prospects of OPVs 24
1.1.4. Problems in OPVs 31
1.2. Mechanism of organic photovoltaics 34
1.2.1. Working mechanism of OPVs 34
1.2.2. Degradation mechanism in OPVs 40
1.2.3. Electrical analysis for OPVs 49
1.2.4. Optical analysis for OPVs 63
References 70
2. Materials and experimental methods 76
2.1. Materials 76
2.2. Device preparation 76
2.3. Measurement and optical calculation 79
3. The effects of WO3 anode buffer on efficiency and lifetime of organic solar cells 80
3.1. Introduction 80
3.2. Results and discussion 82
3.3. Conclusion 92
References 94
4. The effects of ytterbium on efficiency and lifetime of organic solar cells 96
4.1. Introduction 96
4.2. Results and discussion 99
4.3. Conclusion 108
References 110
5. The effect of ytterbium on electrical and optical properties of transparent electrode based organic photovoltaics 113
5.1. Introduction 113
5.2. Results and discussion 114
2.1. Transparent electrode optimization 114
2.2. The role of Yb in transparent OPVs 116
2.3. Optical spacer properties of the Yb buffer layer 127
2.4. Impedance analysis and carrier lifetime 130
5.3. Conclusion 134
References 137
6. Conclusion and future work 140
6.1. Conclusion 140
6.1.1. The effects of WO3 anode buffer on efficiency and lifetime of organic solar cells 142
6.1.2. The effects of ytterbium on efficiency and lifetime of organic solar cells 143
6.1.3. The effects of ytterbium on electrical and optical properties of transparent electrode based organic photovoltaics 144
6.2. Recommendations for future work 145
References 147
Curriculum vitae 148
Publications since 2013 149
Table 1.1. Solar cell efficiency table 21
Table 3.1. Short-circuit current density (Jsc), open-circuit voltage (Voc), fill factor... 86
Table 3.2. Comparison of resistance and capacitance values for devices dependent on... 90
Table 4.1. Characteristics for various interfacial layers (LiF and Yb) with bare Al... 101
Table 4.2. Values used for simulation of curves shown in Figure 4. 5. (a), using the... 107
Table 5.1. Transparent OPV parameters with different anodes and cathodes 121
Table 5.2. Electrical properties of ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Yb/BCP and... 124
Table 5.3. Fitted value of each element in the equivalent model of the Cole-Cole plots... 135
Figure 1.1. Graphical representation of polymer and fullerene when using only... 25
Figure 1.2. (a) Field emission scanning electron microscopy cross-sectional view of an... 25
Figure 1.3. (a) Thermodynamic losses related to light absorption. (b) Layout of an... 30
Figure 1.4. The effects of anode (transparent electrode) conductivity and cell area on... 33
Figure 1.5. Mechanisms of photocarrier generation in organics. 36
Figure 1.6. Typical light IV curve of solar cell. 39
Figure 1.7. Various degradation pathways attacking different parts of solar cell. 42
Figure 1.8. (a) Formation of triplet state due to the presence of oxygen. (b) Breaking... 42
Figure 1.9. Poly-thiophene forming charge complex with oxygen. 44
Figure 1.10. PEDOT:PSS reacting with oxygen. 44
Figure 1.11. Oxygen reaction pathways. 44
Figure 1.12. (a) UV-VIS absorbance evolution (photo bleaching). (b) IR spectroscopy... 46
Figure 1.13. Presence of trap states in PCBM cage, reducing electron mobility. 48
Figure 1.14. (a) Typical dark JV plot (semilog scale) for an organic solar cell. The... 50
Figure 1.15. Flow chart of extraction characteristics parameters in impedance... 57
Figure 1.16. Typical capacitance: voltage plot of a solar cell. 60
Figure 1.17. Trap response to input small signal excitation for capacitance-frequency... 60
Figure 1.18. Diagram of the photon absorption in OPV devices. The device structure is... 64
Figure 1.19. Diagram of the exciton dissociation process at the DA interface. kd(r0, E) is...(이미지참조) 68
Figure 3.1. (a) Structure of OPV cells consisting of WO3 buffer layers, and (b) energy... 83
Figure 3.2. (a) J-V characteristics and (b) IPCE spectra under 100 ㎽/㎠ white light... 85
Figure 3.3. Transmittance of WO3/ITO and PEDOT:PSS/ITO substrates. 89
Figure 3.4. (a) Impedance Cole-Cole plots for devices fabricated on ITO with WO3... 90
Figure 4.1. (a) The structure of the conventional OPVs with different buffer layers. (b)... 98
Figure 4.2. (a) J-V characteristics of an optimized BHJ device fabricated with different... 100
Figure 4.3. Mott-Schottky plot of BHJ devices with the bare Al, LiF/Al, and Yb/Al... 103
Figure 4.4. The stability of the device using LiF and Yb as cathode buffer layers. The... 103
Figure 4.5. Impedance response of three different P3HT:PCBM based devices at 0.0V... 106
Figure 5.1. (a) Transparent OPV cell structure based on dielectric/metal/dielectric... 115
Figure 5.2. J-V characteristics of P3HT:PCBM BHJ devices fabricated with: (a)... 117
Figure 5.3. Calculated contour plots of transmittance as a function of Ag and WO3... 118
Figure 5.4. J-V characteristics of WAW(30/10/10 ㎚)/P3HT:PCBM/Yb/BAW... 120
Figure 5.5. Transmittance and sheet resistance of PEDOT:PSS films of different... 122
Figure 5.6. (a) J-V characteristics and (b) IPCE spectra under 100 ㎽/㎠ white light... 123
Figure 5.7. (a) Normalized PCE under ambient conditions and (b) normalized Voc... 125
Figure 5.8. (a) Near Fermi level valence and (b) high binding energy cut-off region of... 126
Figure 5.9. (a) TOF-SIMS profiles of P3HT:PCBM/Yb/BCP film. (b) J-V curves for... 128
Figure 5.10. Extinction coefficients of P3HT:PCBM, P3HT:PCBM/Yb and... 129
Figure 5.11. (a) Mott-Schottky curves at 1 ㎑. (b) COle-Cole plots of the devices... 131
Figure 5.12. (a) Linear and (b) logarithmic plots of the J-V curves of conventional... 133
초록보기 더보기
재생에너지에 대한 관심이 높아지면서 유기 태양전지에 대한 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 유기 태양전지는 저가의 공정으로 대량생산이 가능하고 유연한 소자를 만들기에 용이하다는 장점이 있다. 하지만, 유기물 자체의 낮은 전환 효율과 짧은 수명은 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 본 연구는 유기태양전지의 효율과 수명을 개선시키기 위하여 양극과 음극 사이에 버퍼층을 도입하여 효율과 수명을 획기적으로 개선하였다. 양극 버퍼층으로는 WO₃을 PEDOT:PSS 대체하여 효율과 수명을 개선시켰다. 음극 버퍼층으로는 Yb를 도입하여 효율과 수명을 향상시켰다. 투명전극으로는 WAW에 Yb 버퍼층을 도입한 Yb/WAW 전극을 사용하여 투명 유기태양전지의 가능성을 제시하였다. Impedance spectroscopy를 이용하여 dark 상태와 light 상태에서 carrier 특성을 파악하여 각 유기 태양전지의 소자 특성을 심도 있게 분석하였다.
양극 버퍼층으로 도입한 WO₃는 기존 소자 대비 10% 광전환 효율 상승과 30% 수명향상 효과가 있었다. 음극 버퍼층으로 도입한 Yb는 기존 소자 대비 20% 광전환 효율 상승과 30% 수명향상 효과가 있었다. 투명전극으로 사용한 Yb/WAW 전극은 면저항 8.5 Ω/□과 91%(@550)의 높은 투과율을 가지면서 20% 광전환 효율 상승이 있었다. 이러한 전극 버퍼층은 유기태양전지가 가지는 낮은 효율과 짧은 수명의 문제를 획기적으로 개선할 수 있는 좋은 대안이 된다. 하지만, 유기 태양전지는 10% 이상의 높은 효율 구현이 이론상 어렵다. 최근에는 활성화층으로 폴리머를 대체한 perovskite 물질이 대안으로 제시되고 있는데 이론상 무기물의 30% 대의 높은 효율을 구현할 수 있는 것으로 보고 되고 있다. 본 연구에서 제안한 전극 버퍼물질과 투명전극들은 perovskite 물질과 결합하여 태양전지를 구성한다면 높은 효율과 내구성이 좋은 태양전지를 구현할 수 있을 것으로 기대한다.
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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