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문제 정의
- 본 연구에서는 유기 태양전지 제작에 있어서 필수적인 투명 전극을 증착한 후, 대표적인 표면 처리 방법인 용액 처리 공정, UV 공정, Plasma 공정으로 나누어 소자를 제작하고, 표면 활성화와 탄소 잔여물 정도가 소자 성능에 미치는 영향을 살펴 보았다. 그 결과 표면 활성화 정도가 우수했던 Plasma 공정 소자의 PCE가 2.
제안 방법
- 기판 전면에 PEDOT:PSS 가 증착 된 것을 확인하고, 전극 연결 부분을 위하여 기판 테두리 8mm 영역을 Ethyl alcohol 적신 면봉으로 닦아 내었다.
- 3 가지 표면 처리 공정 별 표면 활성화 정도를 비교하기 위해서 Fig. 4 와 같이 접촉각을 관찰 하였다. 특히 Plasma 공정 기판이 24°로 가장 작은 접촉각을 보였고, UV 공정 기판은 35°, 용액 처리만 한 기판은 46°였다.
- 3 종류로 처리된 기판을 준비하고, 초고속 카메라가 설치된 스텐드 앞에 수평으로 고정한 후, 고정된 피펫으로 정공 수송층으로 사용하는 PEDOT:PSS 1.4wt% 수용액을 25μl 떨어뜨리고 이를 촬영하였다.
- 7nm 의 두 파장을 가지는 수은 램프에 28mW/cm2 강도로 10 분간 조사시켰다. Plasma 공정은 진공도 5.0 x 10-6 torr 이하에서 40W RF power 환경에서 진행 되었고, UV 공정과 동일 하게 10 분간 플라즈마 처리 하였다. 3 종류의표면 처리가 완료된 기판들은 증착 공전 전까지 외부 물질과의 반응을 막기 위하여 진공 데시게이터 안에 보관하였다.
- 2(a)와 같이 Acetone 과 Iso Prophyl Alcohol(IPA)에 기판을 담궈 각각 10 분씩 초음파 세척하였다. UV 공정은 IPA 에 담궈 두었던 기판을 특별한 추가 공정 없이 184.9nm, 253.7nm 의 두 파장을 가지는 수은 램프에 28mW/cm2 강도로 10 분간 조사시켰다. Plasma 공정은 진공도 5.
- 광 흡수층 역시 140°C 온도에서 10 분간 Hotplate로 열 후처리 하였고 PEDOT:PSS 층과 마찬가지로 전극 연결 부분을 Ethyl alcohol 적신 면봉으로 닦아 주었다.
- 그 후, 유기 박막의 효과적 증착을 위해 140℃ 온도로 10 분간 Hotplate 에서 열 후처리 하였다.
- 이를 위해서 산화막 표면의 접촉 각(Contact Angle) 관찰을 통해 표면 활성화도와, X-ray photoelectron spectroscope(XPS)를 통한 잔여물 정도를 정량 비교하였다. 또한 시간에 따른 성능 변화를 Current-Voltage 특성(J-V characteristic) 평가를 통해 확인하고, 장기 안정성에 미치는 초기 표면 개질 효과에 대하여 고찰 하였다.
- 4wt% 수용액을 25μl 떨어뜨리고 이를 촬영하였다. 또한 표면 처리된 기판의 잔여물 종류와 양을 확인하기 위해서 X-ray photoelctron spectroscopy(XPS)를 이용하여 표면을 분석하였다. 완성된 소자의 태양전지 특성 평가를 위해 소자를 Solar simulator 를 이용한 100mW/cm2의 광량 조건 조건에 두고 Sourcemeter 를 이용하여 전류-전압 특성(J-V characteristic)을 확인하였다.
- 먼저 표면 처리된 기판의 표면 활성화 정도의 차이를 확인하기 위해서 접촉각(Contact angle) 측정을 진행했다.
- 또한 표면 처리된 기판의 잔여물 종류와 양을 확인하기 위해서 X-ray photoelctron spectroscopy(XPS)를 이용하여 표면을 분석하였다. 완성된 소자의 태양전지 특성 평가를 위해 소자를 Solar simulator 를 이용한 100mW/cm2의 광량 조건 조건에 두고 Sourcemeter 를 이용하여 전류-전압 특성(J-V characteristic)을 확인하였다. 이렇게 얻은 J-V 특성 그래프를 통해서 개방 전압(Voc), 단락 전류(Jsc), 충진률(FF)을 확인하고, 내부 저항 확인을 위한 지표로서 시리즈 저항(Rs)도 측정하였다.
- 완성된 소자의 태양전지 특성 평가를 위해 소자를 Solar simulator 를 이용한 100mW/cm2의 광량 조건 조건에 두고 Sourcemeter 를 이용하여 전류-전압 특성(J-V characteristic)을 확인하였다. 이렇게 얻은 J-V 특성 그래프를 통해서 개방 전압(Voc), 단락 전류(Jsc), 충진률(FF)을 확인하고, 내부 저항 확인을 위한 지표로서 시리즈 저항(Rs)도 측정하였다.
- ITO 층은 Hole 전극으로 사용 되기 때문에 면저항을 크게 낮춰 20Ω□ 이하로 증착하였다. 이렇게 증착된 기판을 3 가지 종류, 즉, 용액 처리만 한 기판, 용액 처리 후 UV 처리 한 기판, 용액 처리 후 Plasma 처리 한 기판으로 나누어 공정을 진행하였다. 용액 처리 과정은 먼저 Deionize water(DI water) 250ml 에 넣고 10 분간 초음파 세척하여 표면의 이물질을 제거했다.
- 1(b)와 같은 과정을 통해 도출하고자 하였다. 이를 위해서 산화막 표면의 접촉 각(Contact Angle) 관찰을 통해 표면 활성화도와, X-ray photoelectron spectroscope(XPS)를 통한 잔여물 정도를 정량 비교하였다. 또한 시간에 따른 성능 변화를 Current-Voltage 특성(J-V characteristic) 평가를 통해 확인하고, 장기 안정성에 미치는 초기 표면 개질 효과에 대하여 고찰 하였다.
대상 데이터
- 각 표면 처리 공정 별 소자 제작을 위해서Indium Tin Oxide(ITO)가 동일한 조건으로 증착된 크기 25mm x 25mm, 두께 0.8mm 의 Glass 기판을 준비했다. ITO 층은 Hole 전극으로 사용 되기 때문에 면저항을 크게 낮춰 20Ω□ 이하로 증착하였다.
성능/효과
- 또한 본 연구에 사용되는 방법과 같은 용액 기반의 증착 공정인 경우에는 기판 전면에 증착 재료수용액을 도포해야 하기 때문에, 용액 처리 공정만 한 경우에 사용해야 할 용액의 양이 UV, Plasma 공정한 기판보다 20%이상 더 소비하게 되는 점도 확인하였다.
- 0 x 10-6 torr 이하에서 40W RF power 환경에서 진행 되었고, UV 공정과 동일 하게 10 분간 플라즈마 처리 하였다. 3 종류의표면 처리가 완료된 기판들은 증착 공전 전까지 외부 물질과의 반응을 막기 위하여 진공 데시게이터 안에 보관하였다.
- 결과적으로, ITO 표면 활성화 정도와 초기 소자 성능이 우수 할 수록 장기 안정성 역시 향상 된 것을 알 수 있다.
- 또한 이를 이용하여 탄소의 잔여량을 Table 1 과 같이 Atomic%로 변환하여 나타내었다. 그 결과 각 공정에 따른 탄소 잔여량은 용액 처리만 한 경우19.01%, UV 공정 소자는 10.87%, Plasma 공정 소자는 18.04% 였다. 즉, UV 공정이 탄소 잔여물을 가장 효과적으로 줄이는 것을 알 수 있었으며, Plasma 공정은 표면 활성화를 위해서는 적합한 방법이지만 탄소 잔여물 정도는 용액 처리 공정과 비슷한 수준이라고 판단된다.
- 본 연구에서는 유기 태양전지 제작에 있어서 필수적인 투명 전극을 증착한 후, 대표적인 표면 처리 방법인 용액 처리 공정, UV 공정, Plasma 공정으로 나누어 소자를 제작하고, 표면 활성화와 탄소 잔여물 정도가 소자 성능에 미치는 영향을 살펴 보았다. 그 결과 표면 활성화 정도가 우수했던 Plasma 공정 소자의 PCE가 2.15%로 용액 처리만 한 소자의 0.64%보다 3 배 이상 우수한 성능을 보이는 것을 확인했다. 또한 탄소 잔여물 양이 다른 경우보다 절반 정도로 적은 UV 공정 소자는 1.
- 특히 Plasma 공정 기판이 24°로 가장 작은 접촉각을 보였고, UV 공정 기판은 35°, 용액 처리만 한 기판은 46°였다. 따라서 용액 처리보다는 UV 공정이 우수한 계면 활성화 공정이지만, Plasma 처리가 가장 향상된 계면 상태를 만드는 것으로 판단된다. 또한 본 연구에 사용되는 방법과 같은 용액 기반의 증착 공정인 경우에는 기판 전면에 증착 재료수용액을 도포해야 하기 때문에, 용액 처리 공정만 한 경우에 사용해야 할 용액의 양이 UV, Plasma 공정한 기판보다 20%이상 더 소비하게 되는 점도 확인하였다.
- 또한 탄소 잔여물 양이 다른 경우보다 절반 정도로 적은 UV 공정 소자는 1.83%로 Plasma 공정 소자 보다는 낮은 성능을 보였기 때문에, ITO 표면의 탄소 잔여물 보다는 활성화 정도가 성능에 미치는 영향이 매우 큰 것을 알 수 있었다.
- 즉, UV 공정이 탄소 잔여물을 가장 효과적으로 줄이는 것을 알 수 있었으며, Plasma 공정은 표면 활성화를 위해서는 적합한 방법이지만 탄소 잔여물 정도는 용액 처리 공정과 비슷한 수준이라고 판단된다.
- 32%로 용액 처리 소자보다 우수한 성능을 보였으나, 이를 Plasma 처리한 소자와 비교해 보면 Jsc 와 FF 모두 7~10% 적은 것임을 확인 할 수 있었다. 즉, 탄소 잔여물의 양이 2 배 가까이 많더라도, 표면 활성화 정도가 우수하다면 좋은 성능을내는 것을 알 수 있다. 최종적으로 광전 변환 효율(PCE)은 용액 처리한 소자가 0.
- 최종적으로 광전 변환 효율(PCE)은 용액 처리한 소자가 0.64%, UV 공정 소자가 1.83%, Plasma 공정 소자가 2.15%로 확인되었고, 소자 내부의 층간 저항을 나타내는 Rs 의 경우 각각 1315Ω, 283Ω, 238Ω 으로 측정되었다.
- 특히 용액 처리만 했던 소자의 특성이 가장 급격하게 감소하였고, UV 처리 공정과 Plasma 공정 소자들은 시간 별로 유사한 감소율을 보였다.
- 앞서 확인한 바에 따르면 이들 소자들은 표면 활성화 정도는 큰 차이를 보였으나 탄소 잔여물 양은 거의 차이가 없었으므로, ITO 표면의 활성화 정도가 Jsc 와 FF 에 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있다. 한편 UV 공정 소자의 경우도, Jsc 는 6.06mA/cm2, FF 는51.32%로 용액 처리 소자보다 우수한 성능을 보였으나, 이를 Plasma 처리한 소자와 비교해 보면 Jsc 와 FF 모두 7~10% 적은 것임을 확인 할 수 있었다. 즉, 탄소 잔여물의 양이 2 배 가까이 많더라도, 표면 활성화 정도가 우수하다면 좋은 성능을내는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 83%로 Plasma 공정 소자 보다는 낮은 성능을 보였기 때문에, ITO 표면의 탄소 잔여물 보다는 활성화 정도가 성능에 미치는 영향이 매우 큰 것을 알 수 있었다. 추가로 소자 성능의 장기 안정성 역시 Plasma 공정 소자가 가장 우수했으며, 표면 활성화에 의한 용액과의 접촉각 감소로 박막 증착시 사용 용액 양을 줄여서 경제적 효과도 기대 할수 있기 때문에 향후 소자 제작 공정 설계할 때 Plasma 또는 UV 공정 이상의 표면 활성화 공정은 매우 필수적이라고 판단된다.
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