최근 유기태양전지의 효율향상을 위하여 고분자의 PEDOT:PSS 양극(Anode) 버퍼층이 널리 사용되고 있다. 그러나 고효율 태양전지의 개발과 더불어 새로이 적용되고 있는 역구조 유기 태양전지에는 이 같은 친수성의 PEDOT:PSS 고분자가 소수성의 양극이나 광활성층 상에 균일하게 코팅되는 것이 문제점으로 지적되고 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서 양극 버퍼층으로 $V_2O_5$와 같은 p-type 금속산화물을 사용한 연구가 많이 보고되고 있다. 본 연구에서는 저항을 낮추고 홀 이동도를 향상 시키기 위해 Ag를 삽입층으로 한 $V_2O_5$/Ag/ITO 구조의 다층 박막을 제작하고 Ag두께에 따른 전기적, 광학적, 구조적 특성의 변화에 대하여 살펴보았다. 가시광 영역에서는 Ag 두께가 증가함에 따라 광 투과율이 감소하는 반면 전기적 특성은 향상되는 것을 볼 수 있었다. 광소자의 투명전극산화물로 적합한 구조인지 평가하기 위해 Figure Of Merit(FOM)의 값을 측정하였고, 그 결과 Ag의 두께가 4 nm에서 가장 좋은 특성을 나타냈다. $V_2O_5$/Ag/ITO 구조의 다층 박막은 가시광 영역에서 Ag의 두께가 4 nm일 때 88%의 광 투과율을 나타내었고 저항 값은 $4{\times}10^{-4}{\Omega}cm$로써 광소자로 적합한 구조임을 확인하였다.
최근 유기태양전지의 효율향상을 위하여 고분자의 PEDOT:PSS 양극(Anode) 버퍼층이 널리 사용되고 있다. 그러나 고효율 태양전지의 개발과 더불어 새로이 적용되고 있는 역구조 유기 태양전지에는 이 같은 친수성의 PEDOT:PSS 고분자가 소수성의 양극이나 광활성층 상에 균일하게 코팅되는 것이 문제점으로 지적되고 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서 양극 버퍼층으로 $V_2O_5$와 같은 p-type 금속산화물을 사용한 연구가 많이 보고되고 있다. 본 연구에서는 저항을 낮추고 홀 이동도를 향상 시키기 위해 Ag를 삽입층으로 한 $V_2O_5$/Ag/ITO 구조의 다층 박막을 제작하고 Ag두께에 따른 전기적, 광학적, 구조적 특성의 변화에 대하여 살펴보았다. 가시광 영역에서는 Ag 두께가 증가함에 따라 광 투과율이 감소하는 반면 전기적 특성은 향상되는 것을 볼 수 있었다. 광소자의 투명전극산화물로 적합한 구조인지 평가하기 위해 Figure Of Merit(FOM)의 값을 측정하였고, 그 결과 Ag의 두께가 4 nm에서 가장 좋은 특성을 나타냈다. $V_2O_5$/Ag/ITO 구조의 다층 박막은 가시광 영역에서 Ag의 두께가 4 nm일 때 88%의 광 투과율을 나타내었고 저항 값은 $4{\times}10^{-4}{\Omega}cm$로써 광소자로 적합한 구조임을 확인하였다.
Recently, the buffer layers consisting of poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate) (PEDOT-PSS) are extensively used to improve power conversion efficiency (PCE) of organic solar cells. However, PEDOT-PSS is not suitable for mass production of organic solar cells due to its intrinsi...
Recently, the buffer layers consisting of poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate) (PEDOT-PSS) are extensively used to improve power conversion efficiency (PCE) of organic solar cells. However, PEDOT-PSS is not suitable for mass production of organic solar cells due to its intrinsic acid and hygroscopic properties. Moreover, because of chemical reactions between indium tin oxide (ITO) layer and PEDOT-PSS layer, the interface is not stable. For these reasons, alternative materials such as $V_2O_5$ have been developed to be an effective buffer layer. In this work, we used $V_2O_5$/Ag/ITO multilayer structure for the anode buffer layer. With variation of thickness of Ag layer, we investigated the optical and electrical properties of $V_2O_5$/Ag/ITO multi-layer films. As a result, we found that the electrical properties were improved with increasing Ag thickness while optical transmittance decreases in visible wavelength region. From the calculation of figure of merit (FOM) which is used to evaluate proper structure for transparent of optoelectronic, $V_2O_5$/Ag/ITO multilayer electrode was optimized with 4 nm thick Ag layer in optical (88% in transmittance) and electrical ($4{\times}10^{-4}{\Omega}cm$) properties. This indicates that $V_2O_5$/Ag/ITO multilayer electrode could be a candidate for the anode of optoelectronic devices.
Recently, the buffer layers consisting of poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate) (PEDOT-PSS) are extensively used to improve power conversion efficiency (PCE) of organic solar cells. However, PEDOT-PSS is not suitable for mass production of organic solar cells due to its intrinsic acid and hygroscopic properties. Moreover, because of chemical reactions between indium tin oxide (ITO) layer and PEDOT-PSS layer, the interface is not stable. For these reasons, alternative materials such as $V_2O_5$ have been developed to be an effective buffer layer. In this work, we used $V_2O_5$/Ag/ITO multilayer structure for the anode buffer layer. With variation of thickness of Ag layer, we investigated the optical and electrical properties of $V_2O_5$/Ag/ITO multi-layer films. As a result, we found that the electrical properties were improved with increasing Ag thickness while optical transmittance decreases in visible wavelength region. From the calculation of figure of merit (FOM) which is used to evaluate proper structure for transparent of optoelectronic, $V_2O_5$/Ag/ITO multilayer electrode was optimized with 4 nm thick Ag layer in optical (88% in transmittance) and electrical ($4{\times}10^{-4}{\Omega}cm$) properties. This indicates that $V_2O_5$/Ag/ITO multilayer electrode could be a candidate for the anode of optoelectronic devices.
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문제 정의
본 실험에서는 V2O5/Ag/ITO 구조의 다층박막에서 Ag의 두께변화에 따른 광학적, 전기적 특성 변화를 관찰하고 광 소자로써 가장 좋은 특성이 나타나는 최적의 Ag의 두께를 찾아 보았다. 광학적 특성으로서, 금속삽입층이 8 nm의 경우까지가 85%이상의 광투과율을 나타내어 소자 적용이 가능한 정도임을 확인하였다.
본 연구에서는 위에서 언급된 두 가지 이슈사항에 관한 연구로서, ITO의 두께를 얇게 하여 ITO의 사용량을 줄이고, 효율 향상을 위해서 양극 버퍼층으로 V2O5를 사용해 보았다. V2O5은 에너지 밀도가 높고 취급이 용이하며 광학적 투과율이 우수한 장점을 가지고 있으며 p-type 금속 산화물계 중에서 안정한 물질이다.
제안 방법
Ag가 증착된 기판위에 RF magnetron sputter를 사용하여 1.0×10-5Pa 진공도와 150 W의 Power로 산소와 아르곤 분위기하에서 V2O5를 30 nm 증착 후 Furnace 내에서 in-situ 열처리를 진행하였다.
Ag의 두께에 따른 V2O5/Ag/ITO 구조의 다층 박막의 특성을 알아 보기 위하여 유리기판 위에 다층 박막을 제작하였다. 유리 기판은 초음파 세척기를 이용하여 Acetone, Isopropyl Alcohol (IPA) 그리고 DI (deionized) water에 넣고 각각 10분간 유기세척 후 질소가스를 이용하여 건조시켰다.
그리고 전도성 금속의 두께에 따른 박막의 특성을 알아보기 위해서 Ag를 4 nm부터 12 nm까지 7×10-7torr의 진공도의 e-beam 증착기 안에서 증착하였고 a-step을 통해서 두께를 확인하였다.
전기적 특성을 평가하기 위해서 Hall Effect Measurement System-5000을 이용하여 저항, 홀이동도, 전기 전도도, Carrier 농도를 관찰하였고 Four Point Probe를 이용하여 면저항을 측정하였다. 또한 UV-spectrophotometer를 이용하여 광투과율을 측정하였고 이를 통하여 Optical Bandgap을 구하였다.
세척된 유리기판 위에 Inline Sputter system을 이용하여 ITO layer를 9.9×10-7torr 이하의 기저 압력에서 30 nm 증착하였고, 곧바로 Rapid thermal Annealing (RTA)를 이용해서 열처리 하였다.
/Ag/ITO 구조의 다층 박막의 특성을 알아 보기 위하여 유리기판 위에 다층 박막을 제작하였다. 유리 기판은 초음파 세척기를 이용하여 Acetone, Isopropyl Alcohol (IPA) 그리고 DI (deionized) water에 넣고 각각 10분간 유기세척 후 질소가스를 이용하여 건조시켰다. 세척된 유리기판 위에 Inline Sputter system을 이용하여 ITO layer를 9.
하지만 V2O5 박막은 이 자체만으로는 상당히 낮은 전기 전도도를 가지고 있기 때문에 도전 금속인 Ag를 첨가하여 전기 전도도를 높이고 저항을 낮추어 최종적으로 V2O5/Ag/ITO 3층 구조를 가지는 다층 박막을 제조 하고자 한다. 이 때, Ag의 두께 변화에 따른 위 복합 층의 전기적, 광학적 특성을 살펴 보았다. 이를 통하여 증착 된 다층박막이 태양전지 전극으로 쓰기에 적합한 구조인지 분석, 평가하고, 높은 광 투과율과 낮은 면 저항을 나타내는 최적의 Ag의 두께를 찾아보았다.
이렇게 측정된 광 투과율을 이용하여 흡수계수(a)를 계산하고(식 1), (식 2)를 통하여 광학적 밴드갭 에너지를 계산하였다.
이 때, Ag의 두께 변화에 따른 위 복합 층의 전기적, 광학적 특성을 살펴 보았다. 이를 통하여 증착 된 다층박막이 태양전지 전극으로 쓰기에 적합한 구조인지 분석, 평가하고, 높은 광 투과율과 낮은 면 저항을 나타내는 최적의 Ag의 두께를 찾아보았다.
전기적 특성을 평가하기 위해서 Hall Effect Measurement System-5000을 이용하여 저항, 홀이동도, 전기 전도도, Carrier 농도를 관찰하였고 Four Point Probe를 이용하여 면저항을 측정하였다.
V2O5은 에너지 밀도가 높고 취급이 용이하며 광학적 투과율이 우수한 장점을 가지고 있으며 p-type 금속 산화물계 중에서 안정한 물질이다. 하지만 V2O5 박막은 이 자체만으로는 상당히 낮은 전기 전도도를 가지고 있기 때문에 도전 금속인 Ag를 첨가하여 전기 전도도를 높이고 저항을 낮추어 최종적으로 V2O5/Ag/ITO 3층 구조를 가지는 다층 박막을 제조 하고자 한다. 이 때, Ag의 두께 변화에 따른 위 복합 층의 전기적, 광학적 특성을 살펴 보았다.
성능/효과
밴드갭 내에 결함이 존재할 때 defect ratio가 증대 할수록 진동수가 낮아지고 전자기파의 진행이 느려지면서 밴드갭 에너지에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.17) 결과적으로 본 연구의 경우에는 Ag의 두께가 4 nm와 8 nm일 때, 에너지밴드 갭이 각각 3.7eV와 3.5eV로서 향 후 소자로 사용되기 적합한 크기를 나타내었다.
이러한 전기적 특성 향상을 Table 1에 정리하여 나타내었다. Ag의 두께가 증가 할수록 저항은 감소되었고, 캐리어 농도와 전기 전도도는 증가 하였다. 즉, V2O5/Ag/ITO 구조의 다층박막의 경우 V2O5/ITO의 구조와 비교해 보았을 때 Ag의 두께가 증가할수록 전기적 특성이 모두 향상 되었다는 것을 확인 할 수 있었다.
5에 나타내었다. V2O5/Ag/ITO 구조의 다층박막에서는 Ag의 두께가 증가할수록 전기적 특성은 향상 되었지만 광학적 특성은 감소하는 결과를 보이기 때문에, (식 3)에 의하여 FOM을 구한 결과에서는 Ag의 두께가 4 nm 일 때 가장 좋은 특성을 보였고 태양전지 제작에 있어서 최적의 조건임을 확인 할 수 있었다.
전기적 특성으로는 삽입층이 없었을 때인 V2O5/ITO의 경우와 V2O5/Ag(16 nm)/ITO 구조를 비교하면, 면저항은 약 40% 감소하였고 홀 이동도는 약 30% 증가함을 확인할 수 있었다. 결과적으로 V2O5/Ag/ITO 구조의 다층박막의 경우 Ag의 두께가 증가할수록 광 투과율은 감소하였지만 전기적 특성은 모두 향상되는 모습을 보였다. 이들의 광 소자로의 적용 가능성을 알아보기 위한 광 투과율 및 면저항을 이용해서 Figure Of Merit의 값을 계산해본 결과, Ag의 두께가 4 nm에서 가장 좋은 특성을 나타냄을 확인 할 수 있었다.
/Ag/ITO 구조의 다층박막에서 Ag의 두께변화에 따른 광학적, 전기적 특성 변화를 관찰하고 광 소자로써 가장 좋은 특성이 나타나는 최적의 Ag의 두께를 찾아 보았다. 광학적 특성으로서, 금속삽입층이 8 nm의 경우까지가 85%이상의 광투과율을 나타내어 소자 적용이 가능한 정도임을 확인하였다. 전기적 특성으로는 삽입층이 없었을 때인 V2O5/ITO의 경우와 V2O5/Ag(16 nm)/ITO 구조를 비교하면, 면저항은 약 40% 감소하였고 홀 이동도는 약 30% 증가함을 확인할 수 있었다.
17) 광결정 내 Valance Band (VB)와 Conduction band (CB) 사이에서 강한 국소결함이 발생되면 기존의 주기성을 인위적으로 깨뜨려 이 결함 주변에 강한 국소결함모드(localization of defect mode)가 발생하고, 이러한 결함모드의 주파수는 결함의 구조와 형태에 따라 달라 진다고 알려져 있는데,18) 본 연구의 경우 Ag의 두께가 증가 할수록 이러한 VB와 CB 사이의 국소결합의 정도가 강해짐으로 해서 광학적 밴드갭 에너지가 감소된다고 볼 수 있다. 밴드갭 내에 결함이 존재할 때 defect ratio가 증대 할수록 진동수가 낮아지고 전자기파의 진행이 느려지면서 밴드갭 에너지에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.17) 결과적으로 본 연구의 경우에는 Ag의 두께가 4 nm와 8 nm일 때, 에너지밴드 갭이 각각 3.
3은 UV-Spectroscopy를 사용하여 V2O5/Ag/ITO 구조의 다층 박막의 광 투과율을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 본 연구에서 Ag의 두께가 증가할수록 Ag 표면에서 산란 및 반사등으로 투과율이 점점 감소되는 것을 볼 수 있었는데, 그럼에도 Ag의 두께가 8 nm이하까지는 85%이상의 높은 광 투과율을 얻을 수 있음을 확인하였다.
결과적으로 V2O5/Ag/ITO 구조의 다층박막의 경우 Ag의 두께가 증가할수록 광 투과율은 감소하였지만 전기적 특성은 모두 향상되는 모습을 보였다. 이들의 광 소자로의 적용 가능성을 알아보기 위한 광 투과율 및 면저항을 이용해서 Figure Of Merit의 값을 계산해본 결과, Ag의 두께가 4 nm에서 가장 좋은 특성을 나타냄을 확인 할 수 있었다. 이를 통하여 V2O5/Ag/ITO 구조의 다층박막이 광 소자로 사용하기에 적합한 구조이며, 앞으로 태양전지의 전극으로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
로 전기전도도가 크게 향상되는 것을 쉽게 확인할 수 있었다. 이와 함께 홀 이동도는 36 cm2/v-s 에서 46 cm2/v-s로 약 27% 향상 된 결과를 보였다. 이러한 전기적 특성 향상을 Table 1에 정리하여 나타내었다.
광학적 특성으로서, 금속삽입층이 8 nm의 경우까지가 85%이상의 광투과율을 나타내어 소자 적용이 가능한 정도임을 확인하였다. 전기적 특성으로는 삽입층이 없었을 때인 V2O5/ITO의 경우와 V2O5/Ag(16 nm)/ITO 구조를 비교하면, 면저항은 약 40% 감소하였고 홀 이동도는 약 30% 증가함을 확인할 수 있었다. 결과적으로 V2O5/Ag/ITO 구조의 다층박막의 경우 Ag의 두께가 증가할수록 광 투과율은 감소하였지만 전기적 특성은 모두 향상되는 모습을 보였다.
Ag의 두께가 증가 할수록 저항은 감소되었고, 캐리어 농도와 전기 전도도는 증가 하였다. 즉, V2O5/Ag/ITO 구조의 다층박막의 경우 V2O5/ITO의 구조와 비교해 보았을 때 Ag의 두께가 증가할수록 전기적 특성이 모두 향상 되었다는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 박막 중간층에 금속을 첨가시킨 다층 박막의 구조가 전기적 특성 향상효과를 가져온다는 다른 연구자의 연구결과들과도 잘 일치하는 결과이다.
후속연구
이들의 광 소자로의 적용 가능성을 알아보기 위한 광 투과율 및 면저항을 이용해서 Figure Of Merit의 값을 계산해본 결과, Ag의 두께가 4 nm에서 가장 좋은 특성을 나타냄을 확인 할 수 있었다. 이를 통하여 V2O5/Ag/ITO 구조의 다층박막이 광 소자로 사용하기에 적합한 구조이며, 앞으로 태양전지의 전극으로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유기 태양전지의 장점은?
태양전지 산업은 실리콘 반도체를 이용하는 1세대 태양전지로부터 박막의 무기물을 이용하는 2세대 태양전지, 그리고 최근 유기태양전지까지 발전해오고 있다. 특히 유기 태양전지는 유기물이 제공하는 가격 경쟁력, 공정의 유연성 및 응용 가능성이 높기 때문에 많은 연구가 이루어지고 있다.1-5) 일반적으로, 태양전지는 활성층에 빛이 조사 되면 엑시톤이 생성되고 엑시톤은 전자주게(Doner)와 전자받게(Accepter)의 경계면에서 분리되어 전자는 음극으로 홀은 양극으로 이동하게 되는 원리를 갖는다.
태양전지 산업은 어떻게 발전되었는가?
태양전지 산업은 실리콘 반도체를 이용하는 1세대 태양전지로부터 박막의 무기물을 이용하는 2세대 태양전지, 그리고 최근 유기태양전지까지 발전해오고 있다. 특히 유기 태양전지는 유기물이 제공하는 가격 경쟁력, 공정의 유연성 및 응용 가능성이 높기 때문에 많은 연구가 이루어지고 있다.
PEDOT:PSS 고분자 버퍼 층을 대신하는 무기물 양극 버퍼층에는 어떤 것이 있는가?
이러한 문제점을 극복하고자 최근 높은 일함수를 가지고 있는 MoO3와 같은 p-type 금속산화물이 양극 버퍼층으로 시도되고 있다. 태양전지의 양극으로 사용되는 투명 전극 산화물(Transparent conduction oxide, TCO)이 가져야 할 조건으로는 가시광선 영역(400 nm~700 nm)에서 80% 이상의 투과율을 가지는 동시에 103/Ωcm 이상의 높은 전기 전도도와 10-4 Ωcm이하의 저항값을 가지고 있어야 한다.
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