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표제지

목차

국문요약 10

1. 서론 12

2. 이론 16

2.1. 유기태양전지 (Organic Photovoltaics, OPVs) 16

2.1.1. 유기태양전지의 구조 및 작동원리 16

2.1.2. 빛의 흡수 17

2.1.3. 전자와 정공의 분리 및 확산 18

2.1.4. 전하의 수집 19

2.2. 고분자 합성방법 - Palladium계 촉매 기반의 coupling reaction 20

2.2.1. Benzothiadiazole-phenothiazine계 고분자 합성 - Suzuki coupling reaction 21

2.2.2. Benzothiadiazole-benzodithiophene계 고분자 합성 - Stille coupling reaction 23

2.3. Benzothiadiazole 25

3. 실험 27

3.1. 시약 및 재료 27

3.2. 분석기기 및 장치 28

3.3. 단량체 합성 및 고분자의 중합 29

3.3.1. 단량체의 합성 29

3.3.2. 고분자의 합성 48

4. 결과 및 고찰 52

4.1. Benzothiadiazole-Benzodithiophene(BTD-BDT)계 고분자 52

4.1.1. 합성 및 물리적 특성 52

4.1.2. 광학적 특성 55

4.1.3. 전기화학적 특성 58

4.1.4. 유기박막태양전지로의 특성 60

4.2. Benzothiadiazole-Phenothiazine(BDT-PTZ)계 고분자 63

4.2.1. 합성 및 물리적 특성 63

4.2.2. 광학적 특성 66

4.2.3. 전기화학적 특성 69

4.2.4. 유기박막태양전지로의 특성 71

5. 결론 74

참고문헌 76

Abstract 80

표목차

Table 1. Physical Properties of PDBTD-TBTD, PDBTD-BTD 53

Table 2. Optical Properties of PDBTD-TBTD, PDBTD-BTD 57

Table 3. Electrochemical properties of PDBTD-TBTD, PDBTD-BTD 59

Table 4. Properties of PDBTD-TBTD, PDBTD-BTD solar cells 61

Table 5. Physical Properties of PTBTD-OPPTZ, PTBTD-2EHPTZ 64

Table 6. Optical Properties of PTBTD-OPPTZ, PTBTD-2EHPTZ 68

Table 7. Electrochemical properties of PTBTD-OPPTZ, PTBTD-2EHPTZ 70

Table 8. Properties of PTBTD-OPPTZ, PTBTD-2EHPTZ solar cells 72

그림목차

Figure 1. Development of OPVs Efficiencies 14

Figure 2. Structure of active layer 16

Figure 3. Generation of exciton 17

Figure 4. Collection of electron and hole 19

Figure 5. Structure of 2,1,3-benzothiadiazole 26

Figure 6. TGA traces record of PDBTD-TBTD, PDBTD-BTD. 54

Figure 7. Uv-Vis spectrum of PDBTD-TBTD, PDBTD-BTD in solution. 56

Figure 8. Uv-Vis spectrum of PDBTD-TBTD, PDBTD-BTD in film. 56

Figure 9. Cyclic voltammograms of PDBTD-TBTD, PDBTD-BTD in ITO. 59

Figure 10. J-V curves of PDBTD-TBTD, PDBTD-BTD-based solar cells. 62

Figure 11. IPCE spectra of PDBTD-TBTD, PDBTD-BTD-based solar cells. 62

Figure 12. TGA traces record of PTBTD-OPPTZ, PTBTD-2EHPTZ. 65

Figure 13. Uv-Vis spectrum of PTBTD-OPPTZ, PTBTD-2EHPTZ in solution. 67

Figure 14. Uv-Vis spectrum of PTBTD-OPPTZ, PTBTD-2EHPTZ in film. 67

Figure 15. Cyclic voltammograms of PTBTD-OPPTZ, PTBTD-2EHPTZ in ITO. 70

Figure 16. J-V curves of the PTBTD-OPPTZ, PTBTD-2EHPTZ-based solar cells. 73

Figure 17. IPCE spectra of the PTBTD-OPPTZ, PTBTD-2EHPTZ-based solar cells. 73

도식목차

Scheme 1. Synthetic route of Suzuki coupling reaction 22

Scheme 2. Synthetic route of Stille coupling reaction 24

Scheme 3. Synthesis of compound 1 29

Scheme 4. Synthesis of compound 2 30

Scheme 5. Synthesis of compound 3 31

Scheme 6. Synthesis compound 4 32

Scheme 7. Synthesis of M1 33

Scheme 8. Synthesis of compound 5 34

Scheme 9. Synthesis of M2 35

Scheme 10. Synthesis of compound 6 36

Scheme 11. Synthesis of compound 7 37

Scheme 12. Synthesis of compound 8 38

Scheme 13. Synthesis of compound 9 39

Scheme 14. Synthesis of M3 40

Scheme 15. Synthesis of compound 10, 11 41

Scheme 16. Synthesis of compound 12, 13 43

Scheme 19. Synthesis of compound 14, 15 45

Scheme 20. Synthesis of M4, M5 47

Scheme 21. Synthesis of PDBTD-TBTD, ODBTD-BTD 49

Scheme 22. Synthesis of PTBTD-OPPTZ, PTBTD-2EHPPTZ 51

초록보기

 기존 자원의 고갈과 환경문제로 인해 대체 가능한 자원을 사용하는 차세대 에너지 기술에 대한 관심이 증가하고 있다. 유기박막태양전지 (organic photovoltaics, OPVs)는 기존 실리콘 태양전지에 비해 저렴한 제작단가, 대량생산의 용이성 및 유연한 구조로 넓은 면적에 제작이 가능하다는 점에서 많은 연구가 진행되고 있다. 유기박막태양전지의 양극과 음극 사이에 존재하는 광활성층은 전도성 고분자인 전자주개와 풀러렌의 유도체인 전자받개 물질을 블렌딩하여 제작하며, 종류와 제작 방법에 따라 효율의 차이를 보인다.

본 연구에서는 광활성층의 전도성 고분자로, 전자주개와 전자받개가 반복적인 push-pull 구조의 공액 고분자를 설계하고 합성하였으며, 전자받개로는 풀러렌의 유도체인 PC70BM을 사용하여 두 물질을 섞은 bulk-heterojunction 구조로 제작하였다.

초기 연구에서 conjugation 길이에 따른 특성을 비교하기 위해 benzothiadiazole 유도체에 thiophene을 치환하였으며, 전자주개 물질로는 benzodithiophene 유도체를 도입하여 PDBDT-TBTD, PDBDT-BTD를 Stille coupling reaction으로 중합하였다. ITO/PEDOT:PSS/Polymer(PDBDT-TBTD, PDBDT-BTD):PC71BM/BaF₂/Ba/Al의 구조로 소자를 제작하였고, 고분자 골격의 conjugation 길이가 늘어남에 따라 빛 흡수에 유리한 PDBDT-TBTD의 JSC값이 크게 측정되었다. 2000 rpm으로 블렌딩 하였을 때 PDBDT-BTD의 VOC＝0.66 V, JSC＝3.2 mA/cm², FF＝46.7%, PCE＝0.99% 이고 PDBDT-TBTD의 VOC＝0.78 V, JSC＝5.0 mA/cm², FF＝54.4%, PCE＝2.10%로 향상된 광전변환효율을 나타냈다. 이는 conjugation길이가 증가함에 따라 엑시톤 생성에 유리하고, 고분자 골격에 전자의 이동이 원활하여 나타난 것으로 보인다.

두 번째 고분자 합성에서는 thiophene이 치환된 benzothiadiazole 유도체와 phenothiazine의 질소 원자에 2-ethylhexyl과 octyl기가 치환된 phenyl을 side-chain으로 도입하여 PTBTD-2EHPPTZ, PTBTD-OPPTZ를 Suzuki coupling reaction으로 중합하였다. 소자는 ITO/PEDOT:PSS/Polymer(PTBTD-OPPTZ, PTBTD-2EHPPTZ):PC71BM/BaF₂/Ba/Al의 구조로 제작하였으며, 2800 rpm으로 블렌딩 하였을 때 PTBTD-OPPTZ의 VOC＝0.70 V, JSC＝3.8 mA/cm² FF＝36.3%, PCE＝0.96%이고 PTBTD-2EHPPTZ의 VOC＝0.64 V, JSC＝4.1 mA/cm², FF＝34.5%, PCE＝0.90%의 낮은 효율을 나타냈다. Phenothiazine의 질소 원자에 방향족 고리를 치환하여 전자를 풍부하게 하여 전자주개의 성질을 높여 효율의 향상을 기대하였지만, 고분자의 평면성 저하와 지방족 사슬에 비해 입체장애가 크게 발생하기 때문에 낮은 효율을 나타낸 것으로 보여 진다.

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