[학위논문]저 밴드갭 고분자의 여기자 동력학과 광기전효율의 상관관계 연구 Investigation of Correlation between Exciton Dynamics and Photovoltaic Efficiency of Narrow Bandgap polymer원문보기
저 밴드갭 (Narrow Bandgap, NBG) 고분자 전자주개와 PC71BM 전자받개(억셉터)가 혼합된 활성층을 갖는 유기 태양전지는 이미 10 %대의 효율에 근접했다. 그러나 아직까지 다른 형태의 태양전지, 예로 실리콘기반 태양전지 대비 낮은 효율과 짧은 내구연한의 제한으로 본격적인 시장 진입이 지체되고 있는 상황이다. 이러한 한계를 극복하고 더 높은 효율의 반도체 소재를 개발하기 위해서는 유기고분자계열 태양전지의 정확한 ...
저 밴드갭 (Narrow Bandgap, NBG) 고분자 전자주개와 PC71BM 전자받개(억셉터)가 혼합된 활성층을 갖는 유기 태양전지는 이미 10 %대의 효율에 근접했다. 그러나 아직까지 다른 형태의 태양전지, 예로 실리콘기반 태양전지 대비 낮은 효율과 짧은 내구연한의 제한으로 본격적인 시장 진입이 지체되고 있는 상황이다. 이러한 한계를 극복하고 더 높은 효율의 반도체 소재를 개발하기 위해서는 유기고분자계열 태양전지의 정확한 작동 메커니즘을 파악하여 효율 제한 요소에 대한 해결책을 강구해야 하나, 아직 광기전효율 (power conversion efficiency, PCE)의 정확한 내부적인 요인들 간의 상관관계가 깊이 이해되었다고 보기는 어려운 상황이다. 이러한 이해를 얻기 위해서는 NBG기반 고분자 태양전지의 효율을 결정하는 주요 인자 중 하나라고 할 수 있는 여기자 해리 (exciton dissociation)를 통한 전하 생성 (charge carrier generation)에 대한 정확한 정보를 확보하는 것이 중요하다. 이는 결국 광자 에너지의 흡수를 통해 생성된 여기자가 이들 활성층 박막 내에서 어떠한 경로를 통하여 다시 원래의 바닥상태로 돌아가는지 즉, 어떠한 경로를 통해서 전자와 정공과 재결합하여 소멸되는지 그 원초적 특성을 정량적으로 파악하는 것이라 할 수 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해서 펨토초(fs) 레이저 펄스를 활용한 시분해 분광학적 측정을 통하여 생성 여기자의 소멸 거동을 분석하고자 하였다. 정량적 물리화학적 관점의 모델 제시를 위해서 이러한 이종혼합 (bulk heterojunction, BHJ) 활성층의 적절한 형성 및 이를 통한 효율 최적화에 중요한 고분자와 억셉터 간의 혼합비에 대한 정밀 분광분석적 혼합비 의존성 실험을 실시하였다. 나아가 상기 정밀 분광학적 정보와 거시적 소자 효율 간의 정확한 비교 평가를 위하여 혼합비 의존 주요 소자 인자 분석실험을 수행하였으며, 전하 광생성과 함께 전체 소자 효율 구성에 주요 인자 중 하나인 전하의 이동에 관한 정확한 해석을 위해서 활성층 두께 의존 소자 효율 결정 실험을 병행하였다. 이와 함께 소자 내 여기자 생성율을 파장 및 활성층 내 위치에 따라 정확히 계산하기 위해서 이송행렬방법(transfer matrix method, TMM)을 이용하여 각 층에서의 실질적 광자 흡수율을 계산함으로써 보다 정확한 시간분해 광학실험 해석을 가능하게 하였다. 상기 거시적 소자 특성과 미시적 시분해 분광학적 분석을 결합하여 지금까지 정교한 이해가 쉽지 않았던 NBG 고분자 기반 유기 태양전지 내 활성층 내부 작동 메커니즘에 대한 개선된 모델 제안이 가능해졌다. 따라서, 향후 거시적 효율 개선을 위한 정확한 전략 수립에 보다 폭넓은 이해를 제공하게 되었다.
저 밴드갭 (Narrow Bandgap, NBG) 고분자 전자주개와 PC71BM 전자받개(억셉터)가 혼합된 활성층을 갖는 유기 태양전지는 이미 10 %대의 효율에 근접했다. 그러나 아직까지 다른 형태의 태양전지, 예로 실리콘기반 태양전지 대비 낮은 효율과 짧은 내구연한의 제한으로 본격적인 시장 진입이 지체되고 있는 상황이다. 이러한 한계를 극복하고 더 높은 효율의 반도체 소재를 개발하기 위해서는 유기고분자계열 태양전지의 정확한 작동 메커니즘을 파악하여 효율 제한 요소에 대한 해결책을 강구해야 하나, 아직 광기전효율 (power conversion efficiency, PCE)의 정확한 내부적인 요인들 간의 상관관계가 깊이 이해되었다고 보기는 어려운 상황이다. 이러한 이해를 얻기 위해서는 NBG기반 고분자 태양전지의 효율을 결정하는 주요 인자 중 하나라고 할 수 있는 여기자 해리 (exciton dissociation)를 통한 전하 생성 (charge carrier generation)에 대한 정확한 정보를 확보하는 것이 중요하다. 이는 결국 광자 에너지의 흡수를 통해 생성된 여기자가 이들 활성층 박막 내에서 어떠한 경로를 통하여 다시 원래의 바닥상태로 돌아가는지 즉, 어떠한 경로를 통해서 전자와 정공과 재결합하여 소멸되는지 그 원초적 특성을 정량적으로 파악하는 것이라 할 수 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해서 펨토초(fs) 레이저 펄스를 활용한 시분해 분광학적 측정을 통하여 생성 여기자의 소멸 거동을 분석하고자 하였다. 정량적 물리화학적 관점의 모델 제시를 위해서 이러한 이종혼합 (bulk heterojunction, BHJ) 활성층의 적절한 형성 및 이를 통한 효율 최적화에 중요한 고분자와 억셉터 간의 혼합비에 대한 정밀 분광분석적 혼합비 의존성 실험을 실시하였다. 나아가 상기 정밀 분광학적 정보와 거시적 소자 효율 간의 정확한 비교 평가를 위하여 혼합비 의존 주요 소자 인자 분석실험을 수행하였으며, 전하 광생성과 함께 전체 소자 효율 구성에 주요 인자 중 하나인 전하의 이동에 관한 정확한 해석을 위해서 활성층 두께 의존 소자 효율 결정 실험을 병행하였다. 이와 함께 소자 내 여기자 생성율을 파장 및 활성층 내 위치에 따라 정확히 계산하기 위해서 이송행렬방법(transfer matrix method, TMM)을 이용하여 각 층에서의 실질적 광자 흡수율을 계산함으로써 보다 정확한 시간분해 광학실험 해석을 가능하게 하였다. 상기 거시적 소자 특성과 미시적 시분해 분광학적 분석을 결합하여 지금까지 정교한 이해가 쉽지 않았던 NBG 고분자 기반 유기 태양전지 내 활성층 내부 작동 메커니즘에 대한 개선된 모델 제안이 가능해졌다. 따라서, 향후 거시적 효율 개선을 위한 정확한 전략 수립에 보다 폭넓은 이해를 제공하게 되었다.
The novel solar cells with an active layer blended both with narrow band-gap polymer electron donor and PC71BM electron acceptor approach close to 10 % power conversion efficiency. However their entering into market is delayed due to the limits of relatively low efficiency and short lifetime yet com...
The novel solar cells with an active layer blended both with narrow band-gap polymer electron donor and PC71BM electron acceptor approach close to 10 % power conversion efficiency. However their entering into market is delayed due to the limits of relatively low efficiency and short lifetime yet compare to other types of solar cells for example, silicon based solar cells. To develop highly efficient semiconductor materials by overcoming such hurdles, solutions for those efficiency limiting factors have to be performed by understanding of precise operating mechanism of such organic polymeric solar cells, but it is still sparse to conclude that the accurate correlation between the factors for the power conversion efficiency is deeply understood. To obtain such understanding, it is very important to obtain accurate information about that which is one of the crucial aspects being determinant for the NBG based polymer solar cell’s efficiency, charge carrier generation, in other words, exciton dissociation. Actually this is to depict intrinsic character how photogenerated excitons can come back to their mutual ground state or how they can dissipated by recombination between incoherent electrons and holes. To achieve such purpose, behavior of photogenerated exciton will be measured by means of time resolved spectroscopy with femto second laser pulses. In order to provide a model from the view point of quantitative physical chemistry, electron donor and acceptor blending ratio dependent precise spectroscopic experiments were performed which are important to form such bulk heterojunction and their efficiency optimization. Furthermore to carry out accurate comparing analysis between precise spectroscopic information and macroscopic device efficiency, active layer thickness dependent device efficiency experiments were performed which are important for accurate analysis about charge carrier transport along with the charge carrier photo-generation. At the same time, calculation of practical photon absorption ratio at each layer by using the transfer matrix method (TMM) to predict exciton generation as a function of wavelength and spatial position with a device makes the accurate time resolved spectroscopic analysis more precise. By combining above mentioned macroscopic device characters and microscopic time resolved spectroscopic analysis, a better model suggestion is now available for the internal operating mechanism within an active layer of a NBG polymer based organic solar cells which was not easy to precise understanding until now. And therefore, more broad understanding could be available to plan strategy for macroscopic efficiency improvement.
The novel solar cells with an active layer blended both with narrow band-gap polymer electron donor and PC71BM electron acceptor approach close to 10 % power conversion efficiency. However their entering into market is delayed due to the limits of relatively low efficiency and short lifetime yet compare to other types of solar cells for example, silicon based solar cells. To develop highly efficient semiconductor materials by overcoming such hurdles, solutions for those efficiency limiting factors have to be performed by understanding of precise operating mechanism of such organic polymeric solar cells, but it is still sparse to conclude that the accurate correlation between the factors for the power conversion efficiency is deeply understood. To obtain such understanding, it is very important to obtain accurate information about that which is one of the crucial aspects being determinant for the NBG based polymer solar cell’s efficiency, charge carrier generation, in other words, exciton dissociation. Actually this is to depict intrinsic character how photogenerated excitons can come back to their mutual ground state or how they can dissipated by recombination between incoherent electrons and holes. To achieve such purpose, behavior of photogenerated exciton will be measured by means of time resolved spectroscopy with femto second laser pulses. In order to provide a model from the view point of quantitative physical chemistry, electron donor and acceptor blending ratio dependent precise spectroscopic experiments were performed which are important to form such bulk heterojunction and their efficiency optimization. Furthermore to carry out accurate comparing analysis between precise spectroscopic information and macroscopic device efficiency, active layer thickness dependent device efficiency experiments were performed which are important for accurate analysis about charge carrier transport along with the charge carrier photo-generation. At the same time, calculation of practical photon absorption ratio at each layer by using the transfer matrix method (TMM) to predict exciton generation as a function of wavelength and spatial position with a device makes the accurate time resolved spectroscopic analysis more precise. By combining above mentioned macroscopic device characters and microscopic time resolved spectroscopic analysis, a better model suggestion is now available for the internal operating mechanism within an active layer of a NBG polymer based organic solar cells which was not easy to precise understanding until now. And therefore, more broad understanding could be available to plan strategy for macroscopic efficiency improvement.
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