Au nanocrystals가 P3HT:PCBM에 삽입된 하이브리드구조 유기태양전지의 전도도 증가 역할에 대한 연구

Abstract

기존의 화석에너지의 문제점인 환경오염과 자원고갈의 위험을 해결할 수 있는 대체에너지로써 태양전지에 대한 관심이 점점 커져가고 있다. 현재는 실리콘계열 태양전지가 95 %의 점유율을 차지하며 태양전지시장을 이끌고 있는 추세이다. 실리콘계열 태양전지는 높은 효율을 가지지만 기본이 되는 재료와 제작공정으로 인한 높은 가격이 문제가 되고 있다. 반면에 유기태양전지는 공정이 비교적 단순하고 Roll-to-roll 공정의 적용으로 대면적화와 대량생산이 가능하여 태양전지의 가격을 크게 낮출 수 있으며 유연기판 위에 제작이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 현재 유기태양전지는 무기물에 비하여 유기물의 낮은 이동도로 인해 높은 전력변환효율에 제한을 받고 있다. 본 논문에서는 무기물인 Au 금속을 나노 결정화하여 P3HT:PCBM에 첨가한 하이브리드 구조의 유기태양전지로 전도도를 향상시키는 연구를 하였다. Au 금속의 전기 전도율은 4.5 × 107 S⋅ m-1 으로 상대적으로 우수하며, 다른 금속과 비교해서 Au 금속은 부식이 쉽게 되지 않기에 나노 결정화에도 그 성질이 변하지 않게 된다. Au Nanocrystals (NCs)의 흡수 최고점을 기준으로 Au NCs 원액을 1,2-Dichlorobenzene에 희석하였다. Au NCs의 흡수를 기준으로 10 ~ 40 %를 P3HT:PCBM에 삽입하고 각각의 I-V 특성과 이동도 측정을 통해 전도도 향상여부를 분석하였다. Au NCs 흡수 20 %에서 최대 전력변환효율을 확인하였고 Open circuit voltage (Voc) 0.645 V, Short circuit current density (Jsc)는 14.62 mA/cm2, Fill factor (FF) 65.4 %, Power conversion efficiency (PCE) 6.165 %의 결과를 얻었다. 기존 P3HT:PCBM과 비교해서 Voc 1.6 %, Jsc 7.5 %, FF 3.8 %와 PCE 13.3 %로 증가한 결과이다. | In current organic photovoltaic cell, high power conversion efficiency (PCE) has been limited due to relatively low mobility as a characteristic on organic materials. We investigated the improvement of the mobility by consisting of organic-inorganic hybrid structure adding Au nanocrystals (NCs) into P3HT:PCBM. Comparing to other metals, Au was selected for its high conductivity (4.5 × 107 S⋅ m-1) and chemical strength. Au NCs were diluted by adding 3 ml of 1,2-Dichlorobenzene. And we divided the samples (Au NCs 10 ~ 40 %) by the concentration of Au NCs on the basis of its absorption peak. Then we analyzed the I-V characteristic and mobility. We observed the highest power conversion efficiency at Au NCs's absorption 20 %, the power conversion efficiency (PCE) of 6.165 %, short-circuit current density (Jsc) of 14.62 mA/cm2, open circuit voltage (Voc) of 0.645 V, and fill factor (FF) of 65.4 % of hybrid organic photovoltaic cell. The hybrid organic photovoltaic improved respectively by Voc 1.6 %, Jsc 7.5 %, FF 3.8 %, and PCE 13.3 % than without Au NCs.; In current organic photovoltaic cell, high power conversion efficiency (PCE) has been limited due to relatively low mobility as a characteristic on organic materials. We investigated the improvement of the mobility by consisting of organic-inorganic hybrid structure adding Au nanocrystals (NCs) into P3HT:PCBM. Comparing to other metals, Au was selected for its high conductivity (4.5 × 107 S&#8901