Inverted polymer solar cells with metal-doped oxide as an electron extraction layer

Abstract

역구조 형태의 고분자 태양전지는 정구조 형태의 고분자 태양전지 보다 소자의 수명 및 공기중의 안정성이 뛰어나다는 장점이 있다. 이러한 역구조 형태의 고분자 태양전지에서는 효과적인 전자 추출을 돕기 위한 전자 추출층이 반드시 사용되어야 한다. 그 중에서 산화아연, 이산화 티타늄 등의 산화물은 투명하고 전자이동도가 빠르며, 제조가 용이하고 친 환경적이기 때문에 전자 추출층으로의 적용이 용이하다. 최근에 역구조 형태의 고분자 태양전지 연구는 대부분 이러한 산화물을 전자 추출층으로 사용한 연구가 주를 이루어 보고되고 있다. 하지만 오직 이러한 산화물을 사용하는 것은, 역구조 고분자 태양전지 소자의 성능을 높이는 것에 대한 한계이다. 따라서 본 학위 논문에서는 역구조 고분자 태양전지의 성능을 높이기 위한 방법론을 제시하였다. 특히 전자 추출층으로 금속 물질이 도핑된 산화물의 사용에 초점을 맞추어 진행하였다. 금속 물질이 도핑된 산화물의 물성을 분석하고, 이를 역구조 고분자 태양전지의 전자 추출층으로 적용하였을 때에, 태양전지 특성 및 그의 상관관계에 대해서 체계적으로 분석하였다. 제 1장에서는, 한가지 원소가 도핑된 산화아연 (인듐 도핑된 산화아연, 알루미늄 도핑된 산화아연, 갈륨 도핑된 산화아연) 그리고 두가지 원소가 도핑된 산화아연 (인듐과 갈륨 동시에 도핑된 산화아연)을 역구조 고분자 태양전지의 전자 추출층으로 사용하였다. 먼저 한가지 원소가 도핑된 산화아연의 최적화된 도핑농도를 찾기 위해서 이들에 대한 물성 분석을 (전기•광학적 특성분석, 구조적 특성 분석, 형태학적 특성분석) 진행 한 후, PCDTBT: PC70BM기반의 역구조 고분자 태양전지의 전자 추출 층으로 적용하였다. 그 결과 도핑을 함으로써 전기•광학적 특성 개선, 표면 형태학적 특성 개선 및 구조적 특성이 개선되며, 특히 5~6 at.%의 도핑 농도에서 최적의 역구조 태양전지 특성을 보였다. 태양전지의 효율을 더욱 높이기 위해서 PTB7, PTB7-Th 물질을 광활성층으로 사용한 결과, 도핑된 산화아연을 사용하는 것이 도핑되지 않은 산화아연을 사용하는 것 보다 전력변환 효율을 약 25~35% 정도 증가시킬 수 있었다. 특히 인듐과 갈륨이 동시에 도핑된 산화아연에서 전력변환효율은 9.6%를 나타내었다. 증가된 원인을 분석하기 위하여, 태양전지 소자의 온도별 (100~350 K)•빛 세기별 (1~100 mW/cm2) 전류-전압 측정으로 내부 활성화 에너지 및 재 결합률을 계산하였고, 임피던스를 측정하였다. 그 결과 도핑된 산화아연을 사용하게 되면, 내부 활성화 에너지 및 재 결합률을 낮출 수 있고, 전자 추출저항을 줄일 수 있다는 것을 확인하였다. 이 결과는 도핑된 산화아연을 사용하게 되면 역구조 고분자 태양전지 소자 내에서 전자 추출 특성을 크게 향상 시킬 수 있다는 것을 의미합니다. 제 2장에서는, 산화아연 대신에 이산화 티타늄을 사용하였고 도판트로는 인듐, 알루미늄, 갈륨, 주석 그리고 아연을 사용하였다. 산화 아연과는 다르게 이산화 티타늄에서는 약 ~1 at.% 의 작은 도핑농도에서 최적의 효율을 보였으며 (7.6~7.8 %), 이는 도핑되지 않은 이산화 티타늄을 사용하는 것과 대비하여 약 10% 증가된 결과이다. 도핑된 이산화 티타늄을 사용한 태양전지의 효율을 더욱 높이기 위해서 Polyethylene oxide (PEO)를 첨가한 이산화 티타늄을 적용해 보았다. PEO를 첨가하게 되면 이산화 티타늄 내부의 트랩 에너지를 낮출 수 있으며, 이를 통해 원활한 전자 수집을 유도할 수 있다. 그 결과 8.10 %의 전력변환 효율을 나타내었다. 이상의 연구 결과는 단일 소자의 역구조 고분자 태양전지의 효율을 높이기 위한 방법론을 제시한다. 앞으로 더욱 뛰어난 고분자 물질이 개발되고 이를 기반으로 하는 역구조 태양전지를 제작할 때에, 본 연구 논문에서 제시한 전자추출층을 사용한다면 더욱 높은 효율을 지닌 태양전지를 개발 할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 태양전지에 한정되지 않고, 유기물 및 산화물 기반의 전자 소재에도 적용될 수 있을 것으로 생각된다.

Inverted structures of polymer solar cells have been developed in recent years because of their superior device stability and manufacturing compatibility. In the inverted structure, a high work function metal such as Al, Ag and Au is used as hole collecting electrode, while several n-type interfacial layer such as organic layer, Cs2CO3, TiO2 and ZnO is used as a buffer layer. These buffer layers also help to redistribute the light intensity inside the devices and to protect the active layer from degradation by oxygen or moisture. Among the many n-type electron extraction layer used in inverted devices, the metal oxide such as ZnO and TiO2 is a promising candidate because of its relatively high electron mobility, conductivity, high transparency, environmental stability and easy to make solution and thin films. It is well known that the physical characteristics of metal oxide thin films depend on the doping and a systematic study of the doping effect on the physical characteristics is always interesting. The doping of semiconductors with various elements is known to greatly affect many of the basic physical properties of the semiconductor, including its electrical, optical, morphological and structural properties, which are all crucial for most of the practical applications. In this thesis, in order to improve the device performance of inverted polymer solar cells we applied metal doped oxide as an electron extraction layer. In, Al and Ga doped ZnO nanocrystalline thin films with different In, Al and Ga concentrations as well as amorphous IGZO thin films have been synthesized by the sol-gel method. The effect of In, Al, Ga doped ZnO and IGZO on the structural, morphological, optical and electrical properties have been systematically investigated. The inverted polymer solar cell with structure of ITO / In, Al, Ga doped ZnO and IGZO / Polymer:PC70BM / MoO3 / Al have been fabricated and analyzed the relationship of device performance depend on metal doping. As a result, inverted polymer solar cells with 6.74 at.% In doped ZnO, 5.83 at.% Al doped ZnO, 5.03 at.% Ga doped ZnO films and IGZO (1:1:2.5 with the ratio of In:Ga:Zn) show the high power conversion efficiency of 8.53 %, 8.67 %, 8.72 % and 9.60 % based on PTB7-Th:PC70BM active layer. These efficiency values are almost 20 ~ 32 % improved as compared to ZnO based device (6.56 %). The improvement of power conversion efficiency may attributed to the enhanced optical, morphological and electrical properties. Moreover, the injection impedance values and activation energy of In, Al, Ga doped ZnO and IGZO were lower and recombination coefficient was higher than those of ZnO based device, which indicates that electron extraction properties are enhanced. Beside, inverted polymer solar cell containing TiO2 and metal (Al, In , Ga, Sn and Zn) doped TiO2 as an electron extraction layer with structure of ITO / TiO2 or doped TiO2 / PTB7:PC70BM / MoO3 / Al have been fabricated and analyzed about the relationship of device performance depend on metal doping. The power conversion efficiencies of inverted polymer solar cells with Al, In, Ga, Sn and Zn doped TiO2 (~1 at.% doping concentration) device are 7.59 ~ 7.87 %, which is higher than that of TiO2 based device (6.70 %). The results clearly demonstrate that significant improvement in power conversion efficiency can be obtained by incorporating Al, In, Ga, Sn and Zn into the TiO2 films. However the efficiency of 7.59 ~ 7.87 % is still low as compared to doped ZnO or IGZO based devices. These results are because the electrical properties of TiO2 such as mobility and conductivity are lower than ZnO. So, in order to improve power conversion efficiency of TiO2 based devices, we applied polyethylene oxide (PEO) modified TiO2 and Zn doped TiO2. It is found that PEO modification to the TiO2 or Zn doped TiO2 surface can effectively passivate the surface traps present in TiO2 or Zn doped TiO2, and suppress the recombination loss of carriers, reduce the series resistance and improve the electrical coupling of TiO2/active layer or Zn doped TiO2/active layer. For PEO modified TiO2 and PEO modified Zn doped TiO2 based inverted polymer solar cells, the power conversion efficiencies are significantly improved from the reference 6.98% and 7.51% to 7.67% and 8.10%. This thesis demonstrates the practical approaches to enhance power conversion efficiency of inverted polymer solar cells, covering the electron extraction layer, suitable device structure, and processing method. This approach is believed that could be applied not only other type of solar cell such as solar cells, such as polymer-NC hybrid solar cells, dye-sensitized solar cells and perovskite solar cells but also other optoelectronic devices.