Effect of Diverse Organic Electrolytes as the Cathode Buffer layer on the Photovoltaic Property

Abstract

화석 연료의 고갈과 환경 문제에 따라 재생 에너지의 개발이 세계적 흐름으로 자리 잡고 있다. 그 중 태양광 발전은 별다른 기계적 장치 없이 태양광을 직접 전기로 변환할 수 있어, 오늘날 점점 더 중요한 에너지원으로 꼽히고 있다. 이 중 유기태양전지는 투명하고 유연한 성질을 가지고 있어 다양한 공간, 장소에 적용 가능하고 무게가 가벼워 휴대하기도 용이하다. 게다가 용액 공정으로 제작할 수 있어 제작 단가도 상당히 저렴하다. 하지만 여전히 낮은 효율과 안정성 등으로 상용화되기에는 제약이 있다. 보통 유기태양전지의 구조는 유리/인듐-주석 산화물(ITO)/산화아연(ZnO)/유기 광활성층/은(Ag) 로 구성되는데, 이는 무기물인 ZnO 층 위에 유기물인 광활성층이 코팅된 구조이다. 따라서, 두 층은 서로 상반된 성질을 가져 박막 간에 상호작용을 원활하게 이루어지지 않게 만든다. 이는 두 층 사이에 계면을 개질하여 해결할 수 있다. 그 개질제로 이온성 유기물이 많이 사용되는데, ZnO 층에 표면 쌍극자를 유도하여 반도체 접합간 생기는 에너지 장벽을 줄이기 위함이다. 이에 본 논문에서는 V-alkyl-OTs와 TEG-M-OTs 라는 tosylate계 유기저분자를 설계 및 합성하여 메탄올을 용매로 ZnO 층과 유기 광활성층 사이에 스핀 코팅하였다. 일함수를 측정한 결과 V-OTs와 TEG-OTs가 코팅된 ZnO 층의 일함수는 ZnO 층 (기준소자)에 비해 감소하였다. 이는 V-alkyl-OTs와 TEG-M-OTs에 있는 quaternary ammonium tosylate와 hydroxyl group에 의해 형성된 interface dipole에 의해 기인했다. 그 결과, 소자의 전류가 상승하여, 효율이 ZnO 소자(Ref 7.48%)에 비해 V-alkyl-OTs 소자는 8.62%, TEG-M-OTs 소자는 7.74%로 상승하였다. Polymer에 대한 연구도 진행하였는데, PFN이라는 이미 유명한 물질을 이용하였다. 기존의 PFN은 초산(AA)과 함께 메탄올에 녹여 PFN-AA 형태로 이용하고 있는데, 이에 본 논문에서는 초산보다 더 강한 쌍극자를 가진 p-Toluenesulfonic acid (TsOH)를 이용하여 PFN-OTs 형태로 ZnO 표면에 적용하였다. 그 결과, PFN-AA 소자(Ref. 9.75%)에 비해 PFN-OTs 소자는 10.55%까지 그 효율이 상승했다.