Study on soluble semiconducting functional materials for photovoltaic application

Abstract

최근 화석연료의 매장량 한계와 화석연료의 사용으로 발생한 환경문제로 인해 대체에너지원에 대한 수요가 증가하고 있으며, 그 중에서도 환경친화적이고 지리적조건의 영향에서 비교적 자유로운 태양전지는 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 공액고분자와 유-무기 하이브리드 페로브스카이트로 대표되는 저온 용액공정 기반의 태양전지는 저렴한 대면적 공정이 가능하며 전기적특성 및 광학적 특성이 뛰어나 초저가 대량 생산형 태양전지 시장의 핵심소재로 떠오르고 있다. 용액공정 기반 소자와 같은 평판(planar) 구조 태양전지에서 전하의 이동은 층간 계면의 전기/화학적 특성 및 활성층의 전하 이동도에 큰 영향을 받고, 전하의 이동도는 모폴로지에 영향을 받기 때문에, 용액공정 기반 소자에서 계면특성과 더불어 모폴로지를 조절하는 것이 매우 중요하다. 하지만 용액공정을 통해 형성된 박막은 여러 결정립으로 구성되거나 무작위적으로 상분리 된 다중도메인 (multi-domain) 박막을 형성하며, 박막의 형성이 공정 조건에 매우 민감하기 때문에 박막의 결정성 및 도메인 크기와 배열을 비롯한 모폴로지의 조절이 어렵다. 따라서 소자의 계면특성 및 모폴로지를 조절하는 연구가 매우 중요하며, 특히 소자에 도입하여 계면특성 및 모폴로지를 효과적으로 조절할 수 있는 기능성소재에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 활성층의 모폴로지와 계면의 특성을 조절할 수 있는 저온 용액공정이 가능한 새로운 고분자 및 금속산화물 기반의 기능성소재를 개발하였고, 각 기능성소재를 공액고분자와 유무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지에 각각 도입하여 이에 따른 소자의 특성변화를 분석하였다. 각 기능성소재를 활성층 내부에 도입한 결과, 활성층 박막의 결정성 및 결정 배열과 도메인 크기 및 커버리지(coverage)를 비롯한 모폴로지의 전반적인 향상이 나타났으며, 이에 따라 활성층 내 전하 수송특성이 향상되었다. 또한, 기능성소재를 활성층의 계면에 도입한 결과, 계면에서 전하 추출특성과 소자의 동작수명이 크게 향상되었다.

It goes without saying that our lives heavily depend on energy and with the world’s population on the increase, our needs are growing further every year. While fossil fuels have served our civilization as the biggest energy supply for more than two centuries, there is no doubt that we are facing the limit of fossil fuel reserves. Furthermore, the irreversible environmental damage resulting from their use is increasingly becoming a threat to world security. Obviously, our reliance on this finite resource has to diminish, and we soon have to come up with alternatives that are economically viable and environmentally friendly. Renewable energy sources (e.g. wind, solar, tidal energy) are considered as promising alternatives to fossil fuels. In particular, solar cells have the potential to afford the high energy demand in every region of the world because can be quickly and economically deployed owing to their modular design. There are numerous studies on photovoltaic technologies with various structures and materials. Of the current technology of solar cells referred to as 3rd generation solar cells, solution processable planar structured solar cells have been intensively studied over the last decade. This is due to their high functionality and economic feasibility. Since the performance of the PSC devices relies strongly on the nature of the interface, the research on interfacial layer engineering has become more intense as the spotlight on PSCs increases. Numerous types of interfacial layers have been studied and incorporated into various interfaces within PSCs, have accordingly shown various functionalities such as injecting/extracting/blocking of charges selectively at the interface, modifying the light interference within the device, enhancing device stability, and modifying the device morphology. Overall, the huge improvement was noted on the power conversion efficiency(PCE) of PSCs is accompanied by desirable influences on the device characteristics such as enhanced device stability and reproducibility. In this work, I developed new soluble functional materials, each based on conjugated polymers and metal oxide, and investigated the impact of functional materials on the PSCs characteristics. Each functional material was incorporated in the active layer and the interface of the electrode to modify the morphology of the active layer and interface characteristics, respectively. This resulted in improved charge transfer and prolonged device lifetime.