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DMDCNQI n형 유기버퍼층을 도입한 전 용액공정에 의한 유기태양전지의 제작 및 용액의 물리적 성질에 따른 디바이스의 최적화 연구

Fabrication and characteristics of all solution processable organic photovoltaic cells using DMDCNQI as an organicn-type buffer layer and Studies on the solvent Effects of DMDCNQI

초록/요약

유기박막태양전지는 유기재료의 우수한 가공성, 경량성과 함께 roll to roll 대면적 박막제작공정 기술이 개발되면서 차세대 태양전지로 주목 받고 있다. 유기박막태양전지에서 높은 효율을 얻기 위해서는 광활성층과 금속전극 계면의 접촉저항개선이 필수적인데 현재 자기조립단분자막, LiF층의 삽입, 버퍼층삽입 등의 연구가 진행중이다. N형 버퍼층으로는 주로 무기산화물계열이 개발되고 있지만 공기중에서 O2를 흡수하여 낮은 전도도를 나타내는 문제를 개선하고, 유기태양전지의 유연한 장점을 극대화하기 위해 새로운 n형 유기 버퍼층의 개발이 요구된다. 본 연구에서는 ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/DMDCNQI/Al 구조로 제작된 유기태양전지에 DMDCNQI 층이 유기태양전지의 성능에 미치는 영향을 알아보았다. 특히 공정의 용이함과 성능향상을 위하여, dip-coating 법을 사용한 전 용액 공정을 통해 유기태양전지를 제작하였으며, solvent의 물리적 특성에 따른 차이점에 관하여 확인하였다. solvent의 최적의 조건은 높은 용해도와 낮은 점도 낮은 끓는점일 때 가장 균일한 결정을 생성하며 분산이 잘되는 것으로 확인되었다. 특히 methanol과 methylenechloride를 3:1로 혼합한 solvent를 사용하였을 경우 15.34 mA/cm2의 높은 단락전류와 0.5200 V의 개방전압, 0.4518의 곡선인자, 3.60 %의 높은 광전변환효율을 나타내었다. 이 같은 태양전지 성능 증가는 DMDCNQI가 금속과 결합을 통하여 유기물과의 접촉저항을 감소시켜주며, 전자를 끌어당기는 성질로 전자 분리 전달을 돕는 제 2 acceptor 역할을 하며, 전자만 선택적으로 이동시켜주는 전자 bridge 역할을 통해 recombination을 감소시키기 때문으로 분석되었다.

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초록/요약

Organic photovoltaics(OPVs) have been attracted much attention due to their advantages such as low cost, large-area processibility and good flexibility compared to the conventional inorganic thin film solar cells. Tang reported the first promising heterojunction PV cell based on organic materials in 1986. Since 1986, studies on the improvements of OPVs have been carried out by changes in any kinds of photovoltaic materials and fabrication process. OPV cells are composed of anode/organic photoactive layer/cathode. In order to obtain high performance device, low contact resistance at electrode is necessary. Various metals have been used as a cathode of OPV cell. However, metal electrodes have often a rough surface and unsuitable workfunction with adjacent organic active layer. Some research groups are studying to reduce the contact resistance by the modification of the workfunction of metal cathodes and LUMO level of n-type organic semiconductor according to the introduction of specific self assembled monolayers (SAMs), ultrathin LiF layer, and metal oxide buffer layers. In the present work, we have introduced dimethyldicyanoquinonediimine (DMDCNQI) as an organic n-type buffer layer simply processed from solution between cathode electrode and organic active layer to improve contact resistance and electron transport ability. And we have also introduced DMDCNQI between solution-processed TiOx layer and cathode electrode to improve wettability. And the all-solution process involving active layer ensures that the fabrication cost remains low and the processing is simple.

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