RF 마크네트론 스퍼터링을 이용한 상온 증착 MTO/Ag/MTO 다층 투명전극과 이를 이용한 유기태양전지

Abstract

투명전도성 산화물 (Transparent Conducting Oxide, TCO) 박막은 유기발광다이오드 (Organic Light Emitting Diode, OLED), 유기태양전지 (Organic Photovoltaic cell, OPV), 터치 패널 (Touch panel), 스마트 윈도우 (Smart window) 등의 투명광전소자에 널리 적용되고 있다. 이를 위해서는 가시광선영역에서의 높은 투과율과 낮은 면저항을 갖는 투명전도성 산화물 박막이 요구된다. 인듐 주석 산화물 (Indium Tin Oxide, ITO) 박막은 뛰어난 광학적 ․ 전기적 특성을 가지고 있기 때문에 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 인듐의 한정적 자원으로 인한 높은 가격과 높은 공정 온도 등의 문제로 ITO를 대체할 새로운 투명전도성 산화물의 연구가 필요하다. 따라서 최근 ITO 대체를 위한 Oxide/Metal/Oxide (OMO) 구조의 다층형 투명전극이 활발히 연구되고 있다. 본 연구에서는 망간 주석 산화물 (Manganese Tin Oxide, MTO)을 이용하여 MTO/Ag/MTO 구조의 다층 투명전극을 개발하였고 유기태양전지 (organic photovoltaic cells, OPVs)의 양극으로 적용하여 특성을 평가하였다. MTO와 Ag 박막은 RF magnetron sputtering 법에 의해 상온 증착하였으며 동작압력 (working pressure)과 산소분압 (O2 partial pressure) 등의 조건을 변화해 MTO/Ag/MTO 다층 투명전극의 광학적, 전기적 특성을 조사하였다. 이렇게 최적화된 MTO/Ag/MTO 다층 투명전극은 10.1Ω/□의 면저항과 가시광선 영역 (380~780nm)에서 평균 투과율 85.4%로 유기태양전지의 양극으로 적용시 2.73%의 전력변환효율을 나타내어 상용 ITO의 대체 물질로서의 가능성을 입증하였다.| Alternative for indium-tin-oxide (ITO), MTO/Ag/MTO (MAM) multilayer transparent electrodes that a nano-sized Ag thin film was embedded between Mn-doped Tin Oxide (MTO) layers were prepared. The MTO/Ag/MTO multilayer transparent electrodes were deposited on glass substrate by RF sputtering at room temperature to evaluate their characteristics as transparent electrode for organic photovoltaic cells (OPVs). Optical and electrical properties of the MTO single layer were investigated at various working pressures and oxygen partial pressures. Based on the optimal condition, the MTO/Ag/MTO multilayer transparent electrode showed a sheet resistance of 10.1~10.6 Ω/sq and transmittance of 80.1~85.4 % in visible range (λ=380~780 nm). Their values are compatible with commercial indium tin oxide (ITO). Conventional-type bulk-heterojunction organic photovoltaic cells (BHJ-OPVs) using the MTO/Ag/MTO multilayer transparent electrode shows an open circuit voltage (Voc) of 0.62 V, short circuit current (Jsc) of 7.12 mA/cm2, fillfactor (FF) of 0.62, and power conversion efficiency (PCE) of 2.73 %. This PCE is comparable with commercial ITO electrode (3.17 %). This suggests that the MTO/Ag/MTO multilayer electrode is a new promising transparent conducting electrode for BHJ-OPVs.; Alternative for indium-tin-oxide (ITO), MTO/Ag/MTO (MAM) multilayer transparent electrodes that a nano-sized Ag thin film was embedded between Mn-doped Tin Oxide (MTO) layers were prepared. The MTO/Ag/MTO multilayer transparent electrodes were deposited on glass substrate by RF sputtering at room temperature to evaluate their characteristics as transparent electrode for organic photovoltaic cells (OPVs). Optical and electrical properties of the MTO single layer were investigated at various working pressures and oxygen partial pressures. Based on the optimal condition, the MTO/Ag/MTO multilayer transparent electrode showed a sheet resistance of 10.1~10.6 Ω/sq and transmittance of 80.1~85.4 % in visible range (λ=380~780 nm). Their values are compatible with commercial indium tin oxide (ITO). Conventional-type bulk-heterojunction organic photovoltaic cells (BHJ-OPVs) using the MTO/Ag/MTO multilayer transparent electrode shows an open circuit voltage (Voc) of 0.62 V, short circuit current (Jsc) of 7.12 mA/cm2, fillfactor (FF) of 0.62, and power conversion efficiency (PCE) of 2.73 %. This PCE is comparable with commercial ITO electrode (3.17 %). This suggests that the MTO/Ag/MTO multilayer electrode is a new promising transparent conducting electrode for BHJ-OPVs.