블록공중합체 나노구조에 의한 수직 배향 TiO2 나노월 제조 및 역구조 태양전지 응용

Abstract

산화물 무기 반도체 물질인 티타늄다이옥사이드(titanium dioxide, TiO2)는 그 반도체적 성질과 투명성, 안정성, 공정용이성 등의 장점으로 인해 유용한 무기 재료로서 지속적으로 연구되어 왔다. 이는 특정한 substrate 위에 박막의 형태로 적용됨으로써 유기발광다이오드, 태양전지, 센서 등 여러 광전기적 응용에 널리 사용되고 있다. 이러한 무기 반도체 물질의 기능을 원하는 대로 잘 구현하기 위해서는 그 박막의 interface를 나노 단위로 세밀하게 제어하는 것이 필요한데, 나노 단위의 공정은 대개 고비용, 공정 과정의 어려움, 대면적 제조의 어려움 등의 어려움이 따른다. 본 연구에서는 블록공중합체의 자기조립 특성을 기반으로 하여 대면적에 PS-b-PMMA 고분자 나노템플레이트를 구현하고, 이를 적용하여 2D의 나노월 구조를 갖는 TiO2 전극을 ITO/glass 위에 제조하였다. 수직 배향된 고분자 나노구조를 얻기 위해 기판의 표면을 SAM 처리를 통해 중성화시켰다. 서로 다른 분자량을 갖는 PS-b-PMMA를 이용하고 고분자 용액의 농도를 조절함으로써 고분자 템플레이트의 구조를 제어하였다. 제조된 템플레이트에 졸-겔법을 이용하여 TiO2를 제조함으로써 구조가 제어된 TiO2 나노월 전극을 구현하였다. 이렇게 제조된 TiO2 나노전극을 역구조 벌크-이종접합 태양전지에 적용하여, 잘 제어된 나노구조로부터 성능이 제어되고 크게 향상된 태양전지를 제조할 수 있었다.

An inorganic semoconductor material, TiO2, has been consistently studied due to its unique properties like the semiconductor property, transparency, stability and processibility. As a thin film onto certain substrates, it is widely applicable for many photoelectronic applications such as OLEDs, sensers, and solar cells. For their great performance, well-controlling of the interface of the thin film in nano-scale is really necessary. But there are some troubles of high price, difficulty in processing, making in large-area, and so on. In this study, we fabricated polymer nanotemplates based on the self-assembly of block copolymer, PS-b-PMMA. And, we also applied these nanostructure as a template for 2D nanowall-structured TiO2 perpendicularly oriented to ITO/glass substrate. For the vertical alignment of polymer nanostructure, the surface neutralization was achieved by self-assembled monolayer (SAM) treatment. The nanostructure of polymer templates were controlled by changing molecular weight and adjusting the concentration of polymer solutions. By sol-gel method, well-controlled TiO2 nanowall electrodes were fabricated in the guiding of the polymer templates. Furthermore, we applied the TiO2 nanoelectrodes to inverted type bulk-heterojunction solar cells. By using these well-controlled TiO2 nanoelectrodes, the solar cell performances were also controlled and notably enhanced comparing to usual bilayer solar cells.