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Applications of organic semiconducting small molecules for energy harvesting : 에너지 수확을 위한 유기 반도체 단분자의 활용

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Authors

전용준

Advisor
홍종인
Issue Date
2021
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
Energy harvestingThermoelectric generatorsPhotovoltaic cellsOrganic semiconductor에너지 수확열전 발전기태양전지유기반도체
Description
학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 자연과학대학 화학과, 2021.8. 홍종인.
Abstract
유기반도체는 저렴한 제작 공정 비용, 다양한 구조를 위한 변형의 용이함과 합성물의 균일성 등의 특성으로 인해 지난 수십년간 무기반도체와 함께 다양한 연구가 이루어져왔다. 본 논문에서는 이러한 유기반도체의 활용 중에서 재생가능한 에너지원으로서 활용할 수 있는 유기태양전지와 유기열전소자에 사용되는 유기반도체 물질과 그 소자에 관한 연구를 다루고 있다.
1장에서는 재생가능한 에너지의 개발 필요와 태양전지를 제외한 주요 재생가능한 에너지의 추세를 간략히 서술하였다.
2장에서는 유기태양전지용 유기반도체 물질에 대하여 고찰하였다. 첫 번째 부분에서는 유기태양전지에 대한 배경을 서술하였다. 유기태양전지의 구동 메카니즘과 각 단계에 영향을 주는 요인과 이를 조절하는 방법과 이유를 서술하였다. 또한 유기태양전지의 효율과 특성의 측정방법 및 해석에 대하여 다루고 있다. 두 번째 부분에서는 광자-전자 변환 효율을 높이기 위해 전자 주개-전자 받개-전자 주개 구조로 유기반도체 물질이 보다 많은 광자를 흡수할 수 있도록 하며 원활한 전자 전달을 위하여 분자간 상호작용이 잘 일어나도록 전체적으로 평탄한 구조의 물질에 대하여 연구하였다. 세 번째 부분에서는 전기장을 활용하여 유기태양전지를 구성하는 활성층의 내부 배열을 조절하여 보다 원활한 엑시톤의 분리와 전자 전달을 이루고자 하였다. 이에 쌍극자 모멘트가 큰 물질을 설계하여 사용하였고 전기장에 의해 유기반도체 물질의 배열이 변함을 확인하였다. 하지만 자유롭게 움직일 수 있는 단분자 물질의 특성으로 인해 전기장에 의한 변화가 활성층 내의 상분리를 제어할 수 없어 유기단분자 용액공정에서는 적합하지 않음을 발견하였다.
3장에서는 유기열전소자용 탄소나노튜브와 유기반도체 물질의 하이브리드 필름에 대하여 연구하였다. 첫 번째 부분에서는 열전 효과의 배경과 열전 효과의 향상을 위해 주로 사용되는 현상인 에너지 필터링 효과와 유기열전소자의 연구 경향에 대하여 간략하게 서술하였다. 두 번째 부분에서는 유기반도체 물질에 따른 탄소나노튜브-유기반도체 하이브리드 필름에서의 제베크 계수(Seebeck coefficient)와 전기 전도도(electrical conductivity), 역률(power factor)의 변화를 연구하였다. 탄소나노튜브-유기반도체 하이브리드 필름에서는 유기반도체 물질의 형상과 탄소나노튜브와의 상호작용이 제베크 계수 등에 중요한 영향을 미치는 것을 확인하였다. 특히 탄소나노튜브와 유기반도체의 상호작용이 강한 경우, 소자의 전자 전달 경로에 큰 영향을 줄 수 있기 때문에 탄소나노튜브와 유기반도체의 상호작용이 약한 경우에 비하여 약 2배의 제베크 계수(157 μV·K-1)와 역률(539.8 μW·K-2·m-1)을 나타내었다. 세 번째 부분에서는 유기반도체 물질이 탄소나노튜브에 결합하는 방식에 따라 제베크 계수와 전기 전도도, 역률에 미치는 영향에 대해서 연구하였다. 유기반도체의 1차 아민기와 탄소나노튜브의 카복실기를 아미드기의 공유결합으로 연결한 화합물과 유기반도체와 탄소나노튜브의 혼합물과 비교하였다. 탄소나노튜브와 유기반도체를 공유 결합으로 연결하는 것으로 전자 수송 경로를 제어하는 것은 달성하였으나, 아미드 결합으로 인해 제베크 계수가 오히려 감소하게 되었다. 이에 탄소 물질과 유기반도체를 공유결합으로 연결하여 제베크 계수를 향상시키기 위해서는 탄소 물질과 유기반도체를 이어주는 구조로 아미드 결합과 같은 전자가 다소 풍부한 구조가 적합하지 않음을 알 수 있었다.
Organic semiconducting small molecules have attracted great attention as alternative semiconductor materials because of their low production cost, easy structural modification and flexible structure compared to inorganic materials. Organic semiconductors have been applied in various fields such as photovoltaic cells, light-emitting devices, and thermoelectric devices. This thesis presents several ways to improve the energy harvesting efficiency of organic photovoltaic cells and organic thermoelectric generators.
Part 1 provides a brief overview of the necessity of research on renewable energy, and the recent trend of renewable energy generators.
Part 2 introduces applications of organic semiconductor materials for organic photovoltaic cells. Section 1 describes a brief background knowledge of organic photovoltaic cells. In particular, the working mechanism of organic photovoltaic cells and the modulation method of each step of the mechanism are presented. Measurement method of photovoltaic cells and its analysis method are also described. Section 2 presents a study on three electron donor-electron acceptor-electron donor (D-A-D)-type compounds as electron donor materials for organic photovoltaic cells. These electron donor molecules with a push-pull structure are designed to induce broad photon absorption due to intramolecular charge transfer, and to have good intermolecular interactions due to their relatively flat structures, resulting in effective electron transfer. Section 3 presents a study on modulating the morphology of the active layer in photovoltaic cells to enhance photon-to-current conversion efficiency by applying an electric field on the small molecule active layer. Though an electric field causes morphological changes in the active layer, however, these changes lead to phase separation in the active layer, lowering photon-to current conversion efficiency.
Part 3 is focused on the effect of hybridization of carbon nanotubes (CNTs) and organic semiconductor materials on the thermoelectric performance. Section 1 describes a brief overview of the thermoelectric effect, and the energy filtering effect which is often used for enhancing the Seebeck coefficient. Section 2 provides a study of changes in the Seebeck coefficient, electrical conductivity, and power factor by the hybridization of CNTs with organic small molecules (OSMs). We found that the morphology of organic small molecules and their interactions with CNTs have a large impact on the thermoelectric parameters of CNTs/OSMs hybrid films. In particular, mild charge transfer interactions between the CNT bundles and OSMs facilitate charge carrier transport between them, thereby showing approximately 2-fold increase in the Seebeck coefficient and power factor of the CNTs/OSMs film compared to the CNTs/OSMs film with weaker intermolecular interactions between them. Section 3 presents a study on the effect of the bond type between CNTs and organic semiconductor molecules on the thermoelectric parameters. Thermoelectric parameters of compounds formed by the amide bond between CNTs and organic semiconductor molecules are compared with those of the mixture of CNTs and organic semiconductor molecules. Covalently bonded compounds enable controlling of the electron transfer pathway. However, the amide group between CNTs and organic semiconductor materials disturbs electron flows between CNTs and organic semiconductor materials and lowers the Seebeck coefficient with negative doping.
This study reveals that the amide bond with a relatively large electron density is not appropriate for increasing the Seebeck coefficient in covalently bonded CNTs/organic semiconductor hybrid materials.
Language
eng
URI
https://hdl.handle.net/10371/177434

https://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000166597
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