금속 전극의 영향에 따른 유기태양전지의 변화에 대한 연구
Influence of Metal Cathode for Organic Photovoltaic Performance
- 주제(키워드) Organic Photovoltaic , Cathode
- 발행기관 서강대학교 공과대학원
- 지도교수 이희우
- 발행년도 2009
- 학위수여년월 2009. 2
- 학위명 석사
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000045181
- 본문언어 한국어
초록/요약
대체 에너지와 청정 에너지의 중요성이 점차 증가하고 현재 사용하고 있는 에너지원들의 고갈이 문제점으로 대두되고 있는 상황에서 2050년까지 에너지 수요는 지금의 배 이상으로 증가할 것으로 금세기 말까지는 3배 정도로 증가될 것으로 예상하고 있다. 하지만 현존 에너지 체계만으로 이러한 수요를 뒷받침하기에는 한계가 있다. 따라서 미래에 대한 청정에너지 공급원을 찾는 것은 우리 사회가 당면한 과제이다. 한 시간에 태양에서 지구에 방출하는 에너지 (4.3×1020 J)는 지구에서 1년간 소비하는 에너지보다 많다. 한편, 태양전지에 대한 수요도 매년 30~40 % 증가하고 있는데 2005년 태양전력에 의한 에너지 소비는 세계 전력량의 0.1 %에도 못 미치고 있다. 더 나아가 무기 실리콘 재료의 문제를 극복하는 차원에서도 유기물을 이용한 태양전지의 개발은 매우 중요하다고 볼 수 있다. 본 연구에서는 p형 물질로 P3HT, n형 물질로 PCBM을 사용하여 유기 태양전지 소자를 제작하고 그 특성을 분석하였다. 일반적으로 유기광전소자는 두 물질을 블렌드하여 스핀코팅 하는 방법으로 제작되고 있다. 이 블렌드 한 물질이 가지고 있는 nergy level과 금속의 일함수에 차이에 따른 변화를 알아보기 위해 다양한 금속 전극을 증착하여 결과를 비교해 보았다. 먼저 블렌드한 물질의 LUMO level보다 높은 일함수를 갖는 Ca을, P3HT의 LUMO level과 PCBM의 LUMO level 사이의 일함수를 갖는 Mg을, 두 물질의 LUMO level 밑에 있는 Al과 LiF/Al, 그리고 P3HT의 HOMO level보다 낮은 일함수를 갖는 Au를 사용함으로서 각각의 위치에 따라 어떤 결과를 나타내는지를 알아보았다. 그 결과 자발적으로 Charge transfer가 적절히 이루어 질 수 있는 일함수를 갖는 LiF/Al과 Al만 전극으로 증착한 두 가지 실험에서 좋은 효과를 나타내었다. 특히 LiF는 Tunneling 효과로 인해 전하 이동이 더욱 좋아져 제일 좋은 결과를 나타내었다. Ca과 Mg은 자발적으로 반응이 일어날 수 없는 일함수를 가지고 있고 그로 인해서 전하가 잘 이동하지 못 하고 축적되던 전하가 그 힘에 의해 Energy level이 높은 곳으로 이동되어 진다는 Space charge limited current 이론으로 인하여 전하가 이동한다. 하지만 쉽게 반응하지 못 하기 때문에 결과는 그다지 좋지 않았다. Au는 자발적으로 반응할 수 있는 위치이긴 하지만 Energy level의 차이가 너무 커서 Ohmic contact이 잘 이루어지지 않고 일함수의 위치상 정공이 역류하여 전하와 Recombination이 일어날 수 있기 때문에 이 금속 전극 역시 좋은 결과를 나타내지 않았다. 다음으로 금속 전극마다 소자에서 나타내는 저항의 차이가 있다. 이 저항은 전하의 흐름에 따라 달라지고 저항이 낮을수록 효율이 높아진다. 유기 태양전지 소자에서 Ohmic contact이 이뤄질 수 있는 유기물의 에너지 준위와 금속 전극의 일함수차이가 적은 경우에는 저항이 줄어들고 특히 LiF/Al의 경우에서 가장 줄어드는 것을 볼 수 있었다.
more초록/요약
World damand for Energy is expected to more than double by 2050 and to more than triple by the century. Incremental improvements in existing energy sources will not be adequate to supply this demand. Finding sufficient supplies of clean energy for the future is one of society's most immediate challenges. More energy from sunlight strikes the earth in one hour (4.3×1020 ) than all the energy consumed on the planet in a year. Yet, in 2005, solar electricity provided less than 0.1 % of the world's electricity. Furthermore the lack of economic feasibility and the high material cost of the inorganic solar cell technologies make the problem more critical. In this study, P3HT was used as a p-type material and PCBM was used as a n-type material for fabrication of organic photovoltaic cell. Common method to fabricate organic photovoltaic cell is spin-coating of blend that is composed of p-type and n-type materials. The result of various metal cathode was compared with difference between blending material's energy level and metal workfunction. First, This study used Ca that had higher workfunction than LUMO level of blending material, Mg that had workfunction between LUMO level of P3HT and PCBM, Al and LiF/Al that had workfunction under LUMO level of blending material and Au that had lower workfunction than HOMO level of P3HT. So The good result of two experiments, LiF/Al and Al, were occurred charge tranfer smoothly because these have adequate workfunction. Especially LiF/Al had most high result because of tunneling effect. Ca and Mg had workfunction that could not done spontaneous reaction so electron move the power of accumulated electron, that was Space Charge Limited Current theory. But the result was not good because of uneasy reaction. Au could not occur Ohmic contact because it have large energy level difference and due to the countercurrent of hole, Recombination between hole and electron were generate. So The result was negative. next, There is a difference of resistance, each metal cathode. This resistance changed by current of electron, Efficiency was getting higher by resistance reduction. In Organic photovoltaic cell that occurred Ohmic contact, resistance reduced by small difference between energy level of organic materials and metal cathode. Especially, LiF/Al was most reduction in resistance.
more목차
제 1장 서론 = 1
1.1 연구배경 = 1
1.1.1. Introduction = 1
1.1.2. 태양 에너지 = 4
1.1.3. 태양전지의 역사 = 6
1.1.4. 유기 태양전지의 구조 = 8
1.1.5. 유기 태양전지의 기본 이론 = 10
1.1.6. 유기 태양전지의 작동 원리 = 15
1.1.7. 유기 태양전지의 재료 = 20
1.1.8. 유기 태양전지의 문제점 = 22
1.1.9. 유기 태양전지의 고효율화를 위한 조건 = 25
1.2. 연구목적 = 26
제 2장 실 험 = 27
2.1. 소자 제작 = 27
2.1.1. Indium tin oxide (ITO) 기판 = 27
2.1.2. Buffer 층 = 27
2.1.3. 광활성층 (Active layer) = 28
2.1.4 Cathode 증착 = 28
2.1.5. Encapsulation = 31
제 3장 결과 및 고찰 = 35
3.1. 광전 소자 특성 분석 = 35
3.1.1. 광전 소자의 전기적 특성 분석 = 35
3.1.2. Series 저항 분석 = 37
3.2. 결과 = 38
3.2.1. Metal cathode LiF/Al을 이용한 태양전지의 특성 = 38
3.2.2. Metal cathode Al을 이용한 태양전지의 특성 = 40
3.2.3. Metal cathode Ca을 이용한 태양전지의 특성 = 42
3.2.4. Metal cathode Mg을 이용한 태양전지의 특성 = 44
3.2.5. Metal cathode Au을 이용한 태양전지의 특성 = 46
3.2.6. 저항 (Series resistance) = 48
제 4장 결론 = 50
참고문헌 = 52
