[논문]P3HT:PCBM 활성층을 갖는 유기 박막태양전지의 후속 열처리 효과

장성규; 공수철; 장호정

P3HT:PCBM 활성층을 갖는 유기 박막태양전지의 후속 열처리 효과
The Post Annealing Effect of Organic Thin Film Solar Cells with P3HT:PCBM Active Layer 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.17 no.2, 2010년, pp.63 - 67

장성규 (단국대학교 전자전기공학과) , 공수철 (단국대학교 전자전기공학과) , 장호정 (단국대학교 전자전기공학과)

초록
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본 연구에서는 P3HT와 PCBM 물질을 전자도너와 억셉터 광활성층 물질로 사용하여 벌크이종접합 구조를 갖는 Glass/ITO/PEDOT:PSS/P3HT-PCBM/Al 구조의 유기박막태양전지를 제작하였다. P3HT와 PCBM은 각각 0.5 wt%의 농도로 톨루엔 용액에 용해하였다. 광활성층 농도를 최적화하기 위하여 P3HT:PCBM= 3:4, 4:4, 4:3 wt%의 농도비로 소자를 제작하고, 농도비에 따른 전기적 특성을 조사하였다. 또한 활성층의 후속열처리 온도가 소자의 전기적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. P3HT와 PCBM의 농도비가 4:4 wt%의 비율에서 가장 우수한 전기적 특성을 나타내었으며, 이때 단락전류밀도 ($J_{SC}$), 개방전압 ($V_{OC}$), 및 충실인자 (FF)는 4.7 $mA/cm^2$, 0.48 V 및 43.1%를 각각 나타내었다. 또한 전력변환효율(PCE)은 0.97%의 값을 얻었다. 최적화된 농도비를 갖는 태양전지 소자에 대해 $150^{\circ}C$에서 5분, 10분, 15분, 20분간 후속 열처리를 실시한 결과 P3HT 전자도너의 흡광계수가 증가하는 경향을 보였다. 후속 열처리 조건이 $150^{\circ}C$에서 15분인 경우 전기적 특성이 열처리 하지 않은 소자에 비해 특성이 개선되었다. 즉, 이때의 전기적 특성은 $J_{SC},\;V_{OC}$, FF, PCE의 값이 각각 7.8 $mA/cm^2$, 0.55 V, 47%, 2.0%를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The organic solar cells with Glass/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al structure were fabricated using regioregular poly (3-hexylthiophene) (P3HT) polymer:(6,6)- phenyl $C_{61}$-butyric acid methyl ester (PCBM) fullerene polymer as the bulk hetero-junction layer. The P3HT and PCBM as the electron donor and acceptor materials were spin casted on the indium tin oxide (ITO) coated glass substrates. The optimum mixing concentration ratio of photovoltaic layer was found to be P3HT:PCBM = 4:4 in wt%, indicating that the short circuit current density ($J_{SC}$), open circuit voltage ($V_{OC}$), fill factor (FF) and power conversion efficiency (PCE) values were about 4.7 $mA/cm^2$, 0.48 V, 43.1% and 0.97%, respectively. To investigate the effects of the post annealing treatment, as prepared organic solar cells were post annealed at the treatment time range from 5min to 20min at $150^{\circ}C$. $J_{SC}$ and $V_{OC}$ increased with increasing the post annealing time from 5min to 15min, which may be originated from the improvement of the light absorption coefficient of P3HT and improved ohmic contact between photo voltaic layer and Al electrode. The maximum $J_{SC},\;V_{OC}$, FF and PCE values of organic solar cell, which was post annealed for 15min at $150^{\circ}C$, were found to be about 7.8 $mA/cm^2$, 0.55 V, 47% and 2.0%, respectively.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

ITO/Glass 기판은아세톤, 메탄올, IPA를 이용하여 각각 5분간 초음파 세정을 실시하였다. ITO 양극은 면저항이 15Ω/□의 값을 가지며 광투과도는 90% 이상으로 포토리소그라피 공정을 통하여 전극 패터닝을 실시하였다. ITO 전극은 세정후에 전극의 표면거칠기와 전기적 특성 향상을 위하여 40 W, 20mtorr 분위기에서 90초간 O₂ plasma 처리를 실시하였다.
ITO 양극은 면저항이 15Ω/□의 값을 가지며 광투과도는 90% 이상으로 포토리소그라피 공정을 통하여 전극 패터닝을 실시하였다. ITO 전극은 세정후에 전극의 표면거칠기와 전기적 특성 향상을 위하여 40 W, 20mtorr 분위기에서 90초간 O₂ plasma 처리를 실시하였다.
유기박막태양전지를 제작하기 위하여 ITO가 코팅된 유리기판을 사용하였다. ITO/Glass 기판은아세톤, 메탄올, IPA를 이용하여 각각 5분간 초음파 세정을 실시하였다. ITO 양극은 면저항이 15Ω/□의 값을 가지며 광투과도는 90% 이상으로 포토리소그라피 공정을 통하여 전극 패터닝을 실시하였다.
정공수송층으로 PEDOT:PSS (Baytron P AI4083)박막은 3000 rpm으로 55초간 스판코팅법으로 약 60 nm의 두께로 박막을 형성한 후 100℃에서 1시간 동안 진공 건조하였다. 광활성층으로 P3HT (America Dye Source 306PT) 와 PCBM (America Dye Source 61BFA)을 톨루엔 용매를 사용하여 60℃에서 12시간 동안 0.5 wt%의 농도로 만든후 교반하였다. 최적의 광활성층 농도비를 찾기 위하여 P3HT:PCBM 용액은 3:4, 4:4, 4:3 wt%의 농도비로 합성하여 스핀코팅법으로 600 rpm으로 50초간 코팅한후 100℃에서 15분간 건조하여 약 60 nm의 광활성층막을 형성하였다.
97%의 최대 광변환 효율을 보였다. 따라서 본 연구에서는 P3HT:PCBM의 최적 농도비인 4:4 wt%로 활성층 소자를 제작하여, 후속열처리에 따른 태양전지소자의 특성 변화를 관찰하였다. 후속열처리에 따른 광활성층의 특성 변화를 알아보기 위하여 UV-vis spectrometer를 이용하여 P3HT 전자도너막의 흡광계수를 측정하였다.
후속열처리 효과에 따른 광활성층의 특성 변화를 알아보기 위하여 UV-vis spectroscopy와 XRD 분석을 통하여 흡광도 변화와 결정성의 변화를 조사하였다. 또한 atomic force microscopy (AFM) 측정을 통하여 광활성층과 Al 전극간의 표면 상태의 변화를 관찰하였다.
본 연구에서는 P3TH:PCBM을 광활성층으로 사용하여 BHJ 구조의 유기박막태양전지를 제작하였다. 유기용매로는 톨루엔을 사용하였으며, 이때 P3HT:PCBM의 합성비를 3:4, 4:4, 4:3 wt%로 변화를 주어 전기적 특성을 관찰함으로써 최적의 합성 농도를 조사하였다.
본 연구에서는 전자도너로 P3HT와 억셉터로 PCBM을 톨루엔으로 0.5 wt%의 농도로 용해한후, Glass/ITO/ PEDOT:PSS/P3HT-PCBM/Al 구조를 갖는 유기박막태양전지 소자를 제작하여 후속열처리에 의한 소자의 전기적 특성 변화를 조사하였다. P3HT와 PCBM의 교반농도가 4:4 wt%에서 J_sc, V_OC, FF, PCE의 값이 각각 4.
최적의 광활성층 농도비를 찾기 위하여 P3HT:PCBM 용액은 3:4, 4:4, 4:3 wt%의 농도비로 합성하여 스핀코팅법으로 600 rpm으로 50초간 코팅한후 100℃에서 15분간 건조하여 약 60 nm의 광활성층막을 형성하였다. 유기박막의 두께는 surface profiler로 측정하였다. 음극으로 사용된 Al 전극은 5×10^-7 torr에서 진공열증착 공정을 통하여 형성하여 태양전지 소자를 제작하였다.
유기박막태양전지의 광활성층에 대한 최적의 농도비를 알아보기 위하여 P3HT:PCBM을 각각 3:4, 4:4, 4:3 wt%의 농도비로 합성하여 유기박막태양전지 소자를 제작하여 그 전기적 특성을 비교, 평가하였다.
본 연구에서는 P3TH:PCBM을 광활성층으로 사용하여 BHJ 구조의 유기박막태양전지를 제작하였다. 유기용매로는 톨루엔을 사용하였으며, 이때 P3HT:PCBM의 합성비를 3:4, 4:4, 4:3 wt%로 변화를 주어 전기적 특성을 관찰함으로써 최적의 합성 농도를 조사하였다. 최적의 합성농도에서 소자를 제작한 후 각각 150℃로 5분, 10분, 15분, 20분간 후속 열처리를 실시하여 P3HT:PCBM 광활성 층의 광학적, 전기적 특성 변화를 조사하여 후속열처리 효과(post annealing effect)가 유기박막태양전지의 특성에 미치는 영향을 조사하였다.
음극으로 사용된 Al 전극은 5×10-7 torr에서 진공열증착 공정을 통하여 형성하여 태양전지 소자를 제작하였다.
04 cm²이었다. 이후 최적의 농도비를 갖는 유기태양전지 소자를 150℃에서 5분, 10분, 15분, 20분간 각각 후속열처리를 실시 한 후 그 소자의 전기적 특성 변화를 조사하였다.
정공수송층으로 PEDOT:PSS (Baytron P AI4083)박막은 3000 rpm으로 55초간 스판코팅법으로 약 60 nm의 두께로 박막을 형성한 후 100℃에서 1시간 동안 진공 건조하였다. 광활성층으로 P3HT (America Dye Source 306PT) 와 PCBM (America Dye Source 61BFA)을 톨루엔 용매를 사용하여 60℃에서 12시간 동안 0.
5 wt%의 농도로 만든후 교반하였다. 최적의 광활성층 농도비를 찾기 위하여 P3HT:PCBM 용액은 3:4, 4:4, 4:3 wt%의 농도비로 합성하여 스핀코팅법으로 600 rpm으로 50초간 코팅한후 100℃에서 15분간 건조하여 약 60 nm의 광활성층막을 형성하였다. 유기박막의 두께는 surface profiler로 측정하였다.
최적의 특성을 갖는 소자에 대하여 150℃에서 5분, 10분, 15분, 20분간 후속열처리를 실시한 후 소자의 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 후속열처리를 통하여 소자의 전기적 특성은 향상되는 경향을 보였다.
유기용매로는 톨루엔을 사용하였으며, 이때 P3HT:PCBM의 합성비를 3:4, 4:4, 4:3 wt%로 변화를 주어 전기적 특성을 관찰함으로써 최적의 합성 농도를 조사하였다. 최적의 합성농도에서 소자를 제작한 후 각각 150℃로 5분, 10분, 15분, 20분간 후속 열처리를 실시하여 P3HT:PCBM 광활성 층의 광학적, 전기적 특성 변화를 조사하여 후속열처리 효과(post annealing effect)가 유기박막태양전지의 특성에 미치는 영향을 조사하였다.
5 (광에너지 : 100 mW/cm²) 상에서 솔라시뮬레이터에서 측정되었다. 후속열처리 효과에 따른 광활성층의 특성 변화를 알아보기 위하여 UV-vis spectroscopy와 XRD 분석을 통하여 흡광도 변화와 결정성의 변화를 조사하였다. 또한 atomic force microscopy (AFM) 측정을 통하여 광활성층과 Al 전극간의 표면 상태의 변화를 관찰하였다.
따라서 본 연구에서는 P3HT:PCBM의 최적 농도비인 4:4 wt%로 활성층 소자를 제작하여, 후속열처리에 따른 태양전지소자의 특성 변화를 관찰하였다. 후속열처리에 따른 광활성층의 특성 변화를 알아보기 위하여 UV-vis spectrometer를 이용하여 P3HT 전자도너막의 흡광계수를 측정하였다.

대상 데이터

1은 본 연구에서 사용된 BHJ 구조의 유기박막태양전지의 (a) 에너지밴드도와 (b) 활성층 물질의 화학기호를 보여준다. 유기박막태양전지를 제작하기 위하여 ITO가 코팅된 유리기판을 사용하였다. ITO/Glass 기판은아세톤, 메탄올, IPA를 이용하여 각각 5분간 초음파 세정을 실시하였다.
제작된 유기박막태양전지 소자의 전기적 특성은 AM 1.5 (광에너지 : 100 mW/cm²) 상에서 솔라시뮬레이터에서 측정되었다. 후속열처리 효과에 따른 광활성층의 특성 변화를 알아보기 위하여 UV-vis spectroscopy와 XRD 분석을 통하여 흡광도 변화와 결정성의 변화를 조사하였다.

성능/효과

5 wt%의 농도로 용해한후, Glass/ITO/ PEDOT:PSS/P3HT-PCBM/Al 구조를 갖는 유기박막태양전지 소자를 제작하여 후속열처리에 의한 소자의 전기적 특성 변화를 조사하였다. P3HT와 PCBM의 교반농도가 4:4 wt%에서 J_sc, V_OC, FF, PCE의 값이 각각 4.7 mA/cm², 0.48 V, 43.1%, 0.97%로 최적의 소자 특성을 나타내었다.
특히 P3HT 박막의 흡광계수가 커지면서 광활성층에서 캐리어의 발생 확률이 높아지고 박막내 캐리어의 이동도가 증가하여 태양전지소자의 J_SC 특성은 향상되었다. 또한 후속열처리에 의해 광활성층과 Al 전극간의 계면 특성의 향상으로 누설전류 특성이 향상되면서 V_OC 특성의 향상을 가져온 것으로 판단된다. 후속열처리 조건이 150℃/15min에서 가장 우수한 특성이 나타났으며, 이때 J_SC, V_OC, FF, PCE는 7.
본 연구에서 측정된 UV-vis 특성에서는 PCBM의 흡광도는 측정되지 않았으며, P3HT의 흡광계수만 후속열처리 시간이 5분에서 15분으로 증가할수록 P3HT의 흡광계수는 6.16×106에서 6.33×106 (520 nm)으로 다소 증가하는 경향을 보였다.
5에서는 활성층의 후속열처리에 따른 유기박막태양전지의 전기적 특성을 보여준다. 열처리 이전에 비하여 후속열처리 시간이 15분으로 증가할수록 J_SC와 V_OC는 4.7 mA/cm², 0.48 V에서 7.8 mA/cm², 0.55 V로 증가하였고, 이때 최대 광변환효율은 0.97%에서 2.0%로 증가하였다. 후속열처리 시간이 증가할수록 J_SC 값이 증가하는 이유는 Fig.
후속열처리를 통하여 소자의 전기적 특성은 향상되는 경향을 보였다. 특히 P3HT 박막의 흡광계수가 커지면서 광활성층에서 캐리어의 발생 확률이 높아지고 박막내 캐리어의 이동도가 증가하여 태양전지소자의 J_SC 특성은 향상되었다. 또한 후속열처리에 의해 광활성층과 Al 전극간의 계면 특성의 향상으로 누설전류 특성이 향상되면서 V_OC 특성의 향상을 가져온 것으로 판단된다.
또한 후속열처리에 의해 광활성층과 Al 전극간의 계면 특성의 향상으로 누설전류 특성이 향상되면서 V_OC 특성의 향상을 가져온 것으로 판단된다. 후속열처리 조건이 150℃/15min에서 가장 우수한 특성이 나타났으며, 이때 J_SC, V_OC, FF, PCE는 7.8 mA/cm², 0.55 V, 47%, 2.0%로 각각 나타났다.
최적의 특성을 갖는 소자에 대하여 150℃에서 5분, 10분, 15분, 20분간 후속열처리를 실시한 후 소자의 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 후속열처리를 통하여 소자의 전기적 특성은 향상되는 경향을 보였다. 특히 P3HT 박막의 흡광계수가 커지면서 광활성층에서 캐리어의 발생 확률이 높아지고 박막내 캐리어의 이동도가 증가하여 태양전지소자의 J_SC 특성은 향상되었다.

후속연구

앞으로 유기박막태양전지는 대량생산을 통한 저가격, 저소비전력 분야에 적용이 될 것으로 예상하고 있으며, flexible기판을 사용한 신규 응용분야의 창출이 기대된다.^5-9) 따라서 유기박막태양전지는 소자구조의 단순화와 동시에 광변환 효율의 개선을 필요로 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광활성층을 형성하는 대표적인 물질은 무엇인가?	BHJ 태양전지는 bi-layer 태양전지에 비하여 높은 광변환 효율을 보이고 텐덤구조에 비하여 구조적으로 단순하다는 장점을 가지고 있다. 광활성층을 형성하는 대표적인 물질10-14)로서 전자도너로는 MEH-PPV, MDMO-PPV 등의 공액성고분자와 P3HT, P3OT 등의 regioregular 고분자 물질이 있고, 전자억셉터 물질로는 fullerenes C60 유도체인 PCBM을 주로 사용하고 있다. 대부분 광활성층 물질은 CB와 DCB를 용매로 하여 사용하고 있다.
	P3TH:PCBM을 광활성층을 이용한 BHJ 유기태양전지에서 우수한 광변화 효율을 보이는 이유는 무엇인가?	특히 전자도너로 P3HT와 전자억셉터로 PCBM이 혼합된 광활성층을 이용한 BHJ 유기태양전지에서 가장 우수한 광변환 효율을 보이고 있다. 이는 P3HT가 다른 공액성 고분자에 비하여 낮은 에너지 밴드갭을 갖음에도 불구하고 높은 흡광도를 가지고 있어서, Jsc 특성이 좋기 때문이다. 또한 유기박막태양전지의 효율을 향상시키기 위하여 spin coating, doctor blading, screen printing, inkjet printing, brush painting 등의 다양한 기법으로 태양전지를 제작하여 이의 특성 향상을 위한 연구가 추진중이다.
	BHJ 태양전지의 장점은 무엇인가?	태양전지소자로서 가장 적합한 구조로 광활성층을 공액성고분자 또는 regioregular 물질과 fullerenes 물질을 혼합하여 단층으로 구성하는 bulk hetero junction (BHJ) 유기태양전지에 대한 연구가 지속적으로 진행중이다. BHJ 태양전지는 bi-layer 태양전지에 비하여 높은 광변환 효율을 보이고 텐덤구조에 비하여 구조적으로 단순하다는 장점을 가지고 있다. 광활성층을 형성하는 대표적인 물질10-14)로서 전자도너로는 MEH-PPV, MDMO-PPV 등의 공액성고분자와 P3HT, P3OT 등의 regioregular 고분자 물질이 있고, 전자억셉터 물질로는 fullerenes C60 유도체인 PCBM을 주로 사용하고 있다.

참고문헌 (14)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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